寄 稿（ レビュー）

Productization and Future Developments of the New High-Hardness, High-Strength and HighToughness Hypereutectoid Steel Named “TOUGHFIT®”
萩原幸司1,2，徳永透子3，山本幸治4，杉本隼之5，南埜宜俊6HAGIHARA Koji, TOKUNAGA Toko, YAMAMOTO Koji, SUGIMOTO Toshiyuki and MINAMINO Yoritoshi

Synopsis: Conventional high-carbon steels exhibit high hardness and high wear resistance, but do extreme “brittleness”.
We broke through this common sense and became the first in the world to develop a new hypereutectoid steel
that has both high strength and ductility, namely hypereutectoid steel with high hardness, high strength, andhigh toughness, in a three-party joint research project consisting of University (Nagoya Institute of Technology
and Osaka University), Komatsu Ltd., and Sanyo Special Steel Co., Ltd. This new high-carbon steel wascommercialized as “TOUGHFIT®” from spring 2023.
This developed new high-carbon steel without containing large amounts of expensive elements achieves
strength of over 2500 MPa and plastic elongation of about 10% only by simple appropriate heat treatments
without heavy working. In this review, we look back on the flow of joint research from basic research that started
in 2010, which was the impetus for development, to the present. It is discussed the principles of the developed
heat treatment, the specific performance of this developed steel, and future updates. This article also introduces
important technical points and prospects for expanding applications.
Keywords: hypereutectoid steel; high Hardness; high strength; high ductility

１．‌開発の背景：グリーンイノベーションを実現
する高硬度・高強度・高靭性過共析鋼料への代替により軽薄短小化が進んでいるものの、依然として旧態依然とした重厚長大のまま利用せざるを得な
い部品も多い。例えば輸送機器であれば、大きな負荷や高昨今、持続可能な社会システム構築を実現するグリー

摩耗の過酷な条件で使用されるパワートレイン部品（ベアン・イノベーションの重要性が各所で議論されている。グリング、バネ、歯車、車軸）等がこれにあたる。この理由

リーンイノベーションとは、環境・資源・エネルギーに関は、それらの多くが高炭素鋼、すなわち過共析点の炭素濃する科学的発見や技術的発明に基づいて、低炭素社会、循

度より高い炭素濃度を有している過共析鋼の製品であるこ

環型社会、自然共生社会を構築しようとするものであり、とによる。過共析鋼は高硬度、高耐摩耗性という優れた特

新たな社会的価値や経済価値を生み出す革新を通じ、気候性を有するが、その一方で“極めて脆い”。この弱点のた

変動問題の解決と社会経済の持続的な発展を同時に可能

め部品は大きな安全係数をかけて重厚長大に設計・製造せ1)とする技術開発のことを示している 。この実現に向け、ざるを得ない。これら社会基盤構造材料におけるグリーン

我々大学と企業の材料研究者や材料開発者が果たすべき責イノベーション、すなわちカーボンニュートラル実現に向務は非常に大きい。

けたCO2排出量の劇的削減のための革新を起こすには、過共析鋼最大の欠点である、この“脆さ”を完全克服すると現代社会では、多くの工業製品にて新材料開発や他材

1: 名古屋工業大学 大学院工学研究科 工学専攻 材料機能プログラム 教授
2: 大阪大学 大学院工学研究科 マテリアル生産科学専攻 特任教授（兼任）
3: 名古屋工業大学 大学院工学研究科 工学専攻 材料機能プログラム 助教
4: コマツ 生産本部生産技術開発センタ
5: 山陽特殊製鋼株式会社 研究・開発センター
6: 大阪大学 名誉教授

3

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣ の実用化と今後の展開

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開&KDUS\LPSDFWYDOXH -FP

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究た点である。すなわち本鋼材は、鋼材原価の大幅なコストアップがなく、かつその特性制御のための熱処理は現状に'HYHORSHG+K\SHUHXWHFWRLGVWHHOVて多くの会社が保有する製造設備をそのまま利用すること

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が可能であるので、ユーザーは既存製品への適用や新製品の開発に利用することが早急に可能になり、幅広い社会普

及が実現できることから産業界で極めて大きな注目を集めている。この著しく革新的な成果ゆえに、日本産業界、&RQYHQWLRQDOVWHHOV

すなわち国益を優先する観点から、大学を含めた共同研
究としては極めて異例な形であるが、開発開始の2010年

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以降、2020年あたりまでは本研究内容に関する外部発表
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はあえて最小限に控え、実用化を最優先した形で検討を進9LFNHUVKDUGQHVV

めてきた。この結果、開発鋼材が示す革新的力学特性が疑Fig. 1 Relationship between Charpy impact value and Vickers
いなく実証されることで、2020年には欧州、米国、中国
hardness in the conventional steels and the developed )LJ
等世界各国での特許取得に至る2, 3)とともに、昨春より、
3H-hypereutectoid steels.

商品名「TOUGHFIT ®｣（タフィット：高炭素鋼なのに著いう「魔法」が必要となる。これには、鉄鋼の常識・宿命

しく「tough」な鋼材で幅広くニーズに適合できる）とし的で避けることはできないとされる二律相反則：「軟らて、山陽特殊製鋼より念願の商品化が実現された4)。

かい材料は粘く、硬い材料は脆い」を覆す技術とサイエン

このような経緯を基に本稿では、開発の契機となったスが必要である。この実現と新鋼材の社会実装を目指すべ

2010年より開始された基礎研究から、現在に至るまでの

く、大阪大学、コマツ、山陽特殊製鋼（株）との三者共同

共同研究の流れを振り返るとともに、開発した熱処理の研究が2011年より開始された。この共同研究開発におい原理と3H過共析鋼が示す具体的性能、今後の更なる用途て2015年にNEDOからの支援をいただいた研究を推進し拡大に向けた重要な技術的ポイント、展望について紹介ていた南埜宜俊 現大阪大学名誉教授と共に、当時准教授する。

として筆者（萩原）はプロジェクトに参画し、その後、

２．‌開発コンセプト： 3H過共析鋼を実現する熱処理の開発

2021年に名工大に異動した後も助教の徳永先生を加えた形で、引き続いて更に発展的に共同研究開発が進められている。この三者共同研究の成果として我々は、高炭素鋼の優れた高強度を損なうことなく、かつ同時に延性を兼ね備

前述のように、金属材料において硬度と靭性はトレード

えた新過共析鋼材、すなわち高硬度・高強度・高靭性過オフの関係にある。このため高硬度を示す従来の過共析鋼

共析鋼（これ以降、High hardness-High strength-Highの靭性は低く、破壊を引き起こして部品の破断や重大な事

toughnessの略として「3H過共析鋼」として記述）の開故を引き起こす懸念が常に存在している。過共析鋼の低靭発を世界に先駆けて実現した。

性の原因の一つは過共析鋼中に含まれる高濃度のC元素が開発した3H過共析鋼が示す著しく優れた力学特性を端形成する炭化物に由来する。炭化物は形状、析出量、析出

的に示すグラフとして、図1に既存の一般鋼が示す硬度と箇所等によっては脆性の大きな要因となりうる。特に、粒シャルピー衝撃値の関係を、3H過共析鋼のそれと比較し界に存在する炭化物は破断の起点となりやすく、粒界に炭たものを示す。一般の鋼材では両者の関係は、金属材料に化物が存在することで粒界はき裂の進展経路として作用見られる強度と延性のトレードオフ関係に応じたいわゆ

し、粒界破壊を引き起こす。たとえば一般的な過共析鋼るバナナカーブ状の実線で示される近似曲線を示すのに

SUJ25-7)（1mass% C, 1.4mass% Cr）は700℃以上の対し、3H過共析鋼材は、700Hvの高硬度と同時に200J/

高温から焼入れすることでマルテンサイトを生成し、低温

2cm 以上という低/中炭素鋼なみの耐衝撃性を有する。開で焼戻しをすることで、硬さを調整し靭性を確保している

発当初の本鋼材を引張試験すると、2000MPa超の最大が8-14)、その靭性は前述のパワートレイン部品に適応でき引張強度と同時に3%程度の塑性伸びを示すことが見出さるほど十分に高いとは言えない。

れたが、さらに進化した3H過共析鋼の現時点でのチャン

一方、粒界破壊を助長する粒界上の炭化物を溶解させる

ピョンデータとしては、2500MPa超の強度と10%程度

ほどの高温で保持すると、炭化物のない粒界を得ることがの塑性伸びの共存を実現している（6-3節にて詳述）。

できる。しかしながら、その高温保持により同時にオース本発見で強調すべきは、我々は、高価な元素の多量添加

テナイト（γ）粒が著しく粗大化してしまうため、結果とと強加工を必要とすることもなく、鋼材組成の最適化とそして旧γ粒界での粒界破壊を誘引してしまう。また、高温れに適した熱処理の開発のみにより新鋼材の開発を達成し保持により、粒界のみならず粒内の炭化物も消失・粗大化

4Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開ƌŝŶĨůƵǆƚŽŐƌĂŝŶďŽƵŶĚĂƌŝĞƐ

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Fig. 2 Differences in dissolution mechanisms between grain boundary carbides and intragranularcarbides, resultant Cr enrichment at grain boundaries.

してしまうため、材料の耐摩耗性が低下することも懸念さ滅する。また、その粒界炭化物から溶出したCr元素は粒れる。以上のことから、粒内には均一で微細な炭化物を残界拡散で粒界に沿って高速度で長距離まで多量に運ばれる

しつつ、粒界炭化物のみを除去する熱処理の開発が、新鋼が、そのCr元素の粒内拡散は極めて遅いことから粒界か材開発のキーとなると考えられた。

ら粒内に拡散流出する量は少なく、この結果として粒界は)LJ

しかしながら、二元系過共析鋼のFe-C鋼では、熱処理Cr元素で富化されることになる。一方、粒内炭化物の溶のみで微細な炭化物を鋼材中に均一に分散させた組織を実解は、遅い粒内拡散が律速する極めて遅い溶解であり、母験室的にも工業的にも得ることが難しい。これは、炭化物

相内へのCr元素の拡散も極めて遅い 17)。したがって、溶粒子はγ相が存在する温度域において、非常に短時間で溶解過程の終盤（Fig. 2(c)）では、粒界炭化物が完全に溶解するためである。これに対し、Crは炭化物に固溶しや解しきるのに対して粒内炭化物は残存し、また粒界にはすい特徴を持ち、Crが溶け込むことで炭化物の溶解速度

Cr元素が濃化した組織となることが期待された。

15)。

このように、Cr元素を有効利用しつつ、適切な温度範

つまり、Crを添加することで炭化物の溶解速度を低下さ

囲と熱処理時間を設定することにより、鋼材中に粒界炭化せ、工業的に熱処理に要する時間の制約の範囲内における物が存在せず粒内炭化物のみを残存させた微細組織を発達

組織制御を可能にすることが期待された。また炭化物の溶させることができるのではないか、と合金設計と熱処理設

解には、侵入型拡散機構の炭素元素の拡散と置換型拡散機計を遂行した。このような期待される溶解挙動制御が本当

構のCrの拡散との協調関係が重要な役割を果たすことがに実用鋼材中で実現できるのか否かを検証すべく、我々は明らかにされている 16)。これらのことより、我々は、Cr

実際に、炭化物中にCrが存在するときの粒界炭化物と粒が持つ能力を適切な制御によりさらに顕在化させること

内炭化物の溶解挙動をそれぞれ調査し、その制御可能性にで、粒界と粒内の炭化物を選択的に溶解させることを着想

ついて検討した。

が著しく低下することがこれまでに報告されているした。

３．Cr添加による炭化物の溶解挙動制御

炭化物粒子の溶解速度は粒界や粒内の析出サイトによって大きく異なる。すなわち、粒界上の炭化物は粒界拡散により短時間で消滅するのに対し、粒内の炭化物は格子拡散

開発当初、検証にはCrを含有する一般的な過共析鋼でに律速されるため長時間にわたり残存する傾向がある。こあるSUJ2鋼、及び、急速加熱ができ明確に熱処理プロセ

こでCr元素の拡散挙動は、Cr元素の格子（粒内）拡散はスを把握できる塩浴を用いた。SUJ2鋼の組成において、鉄母相同様に遅いのに対し、Cr元素の粒界拡散はC元素の状態図計算からA 1 点は732℃付近であることが示され16)。

た。そこでフェライトとセメンタイト（θ）相から成る

このため、Cr元素を炭化物中に十分に固溶させたうえ

SUJ2鋼に対し、A 1点直下の700℃で10時間熱処理を施で、粒界拡散が活発に活動し粒内拡散が抑えられる温度範すことで、Crを含む溶質元素の平衡分配を行った。この

囲で熱処理することで、炭化物粒子の粒界・粒内での溶解処理によりCrは炭化物中に優先的に固溶する。その後、速度の差を意図的に大きくすることができるのではない

γ単相域の950℃の塩浴炉中で鋼材を保持し、炭化物のか、と着想した。このようなCrを含有する鋼材にて期待γ相への溶解挙動を調査した。

侵入型拡散と同程度に速い可能性が報告されている

される炭化物の溶解メカニズムを模式的に示したのがFig.

Fig. 3に初期α粒径3μm程度のSUJ2鋼における、保持2である。Fig. 2(a)に示すように、粒界上の炭化物はCrの時間に依存した組織変化を示す。試料は塩浴炉中で一定時速い粒界拡散により、優先的にかつ高速で溶解し早期に消間保持した後、油冷による急冷処理を行うことで、主にマ5Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

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新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

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Fig. 3 Microstructures of the SUJ2 steel soaked in a salt bath at 950 ℃ for (a) 6 s, (b) 8 s,(c) 11 s, (d) 20 s, (e) 100 s, and (f) 1 ks, reproduced from [19] with permission.

ルテンサイトにより構成されている。950℃で保持する

合致しないものの、溶解初期ではCrの粒界拡散、一方溶ことで、粒内、粒界いずれにおいても徐々に炭化物数が減

解後期はCrの粒内拡散が主に律速している可能性が実験少しているのが確認できる。保持時間ごとに残存している結果からも強く示唆された。

)LJ

粒内と粒界の炭化物を区別せずに炭化物の総量を、それら

さらに、粒内・粒界それぞれの炭化物を区別して、それの面積率を定量的に計測することで評価した結果をFig. 4

らの単位面積当たりの個数を計測し、保持時間ごとに整に示す。いずれの温度においても溶解初期には炭化物の溶理した結果をFig. 5に示す。粒内・粒界炭化物両方につい解は加速度的に進行し、時間が経過するにつれて溶解速度て、それらの個数は時間が経過するにつれて単調に減少すが遅くなっていることがわかる。すなわち、この結果は、るが、その減少挙動は両者で大きく異なった。粒界炭化物

溶解初期と後期で異なる溶解モードが働いていることを示

は高温保持の初期段階から急速に減少する一方で、粒内炭唆している。実際に、Fig. 4に示す定量解析結果をもとに化物は長時間保持した後も粒内に残存した。この結果も先炭化物溶解の活性化エネルギーを評価した結果をTable 1の活性化エネルギーを通じた解析同様、炭化物の溶解挙動に示す。過去の研究より、Crの粒内拡散の活性化エネル

が、初期段階では粒界拡散律速で進行するのに対し、溶解-1

ギーは264kJ·mol と見積もられている

18)。一方、FeとNi

が進むにつれ徐々に粒内拡散律速へと移行するという仮説の粒内・粒界拡散の活性化エネルギーの比から推測したを強く支持している。つまり我々の狙い通り、過共析鋼のCrの粒界拡散の活性化エネルギーは約147kJ·mol-1と見積

Crは炭化物中に優先固溶することで、粒界炭化物と粒内19)。これら値とTable 1で示した炭化物溶解の活

炭化物の溶解速度の差を顕著にし、これにより高温保持に性化エネルギーの実測値を比較すると、その値は完全にはより粒界炭化物が優先的に溶解させることができ、粒内でもられるは炭化物が残存するような組織を意図的に得ることができ$UHDIUDFWLRQRIșSDUWLFOHV 

ることを明らかにした。

LQLWLDODUHDIUDFWLRQ

これに加えて、さらにFig. 3に示したエッチング後の組

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Table 1	‌Variations in activation energies for dissolution of theθ particles in the SUJ2 steels with area fraction of θparticles, reproduced from [19] with permission.

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Fig. 4 Variation of area fractions of the remained θ particles
in the SUJ2 steels with the annealing time in γ phasestate, tγ , at various temperatures, reproduced from [19]with permission.

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6

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

られる。つまり、本結果から、熱処理温度と時間を適切に制御することで、粒界炭化物の除去だけでなく、粒界のșSDUWLFOHVRQJUDLQERXQGDULHV

Cr富化が達成できることが示された。このことが粒界破șSDUWLFOHVLQVLGHJUDLQV

壊を抑制することで、高強度鋼にて最大の問題点となる水素脆化の抑制に何らかの寄与を果たしてくれるのではない

か、と期待しつつ現在さらに検討を進めている。
以上のように我々は、高炭素過共析鋼の力学特性制御手

法の一つとして、粒界炭化物のみの優先的溶解、さらにCrの粒界富化を狙った熱処理を考案し、「粒界改質処理（Grain Boundary Amelioration: GBA）処理）」と命名
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した。本節に記載した内容の更なる詳細に関しては、論文19)を参照いただきたい。

Fig. 5 Number of the θ particles on grain boundaries and insidegrains in the SUJ2 steels annealed at 950 ℃ , reproduced
from [19] with permission.

４．‌最終焼入れに至るまでの最適「前熱処理」条
件の検討

織写真中における粒界の見え方に注目して頂きたい。一般

前述のように粒界炭化物を消失させ粒内炭化物のみを残的に粒界は母相よりも原子配列の乱れにより高エネルギー留させるためのGBA処理を我々は考案したが、そのGBAを有するため、酸によるエッチング処理により優先的に腐処理を確実に効果的に実現するには最終焼入れ前にCrを食され、溝状に窪んで観察される。しかしFigs. 3(a-c)に炭化物に十分固溶させ、その後の高温保持により粒界炭化示される溶解初期に対応する組織において、最短保持時間

物だけを消失させる「前熱処理」が必要不可欠である。そ（Fig. 3(a)）では見られなかった畝状に盛り上がった粒

こで我々は、GBA処理の下準備としての熱処理プロセス

界組織がFigs. 3(b, c)で観察される。一方、さらに保持時「最適な前熱処理」条件を確立すべく検討を行った。具体

間が長くなると（Figs. 3(d-f）、この畝状組織は消滅し的に、過共析鋼として代表的なSUJ2鋼を対象とし、Fig.

ている。このような畝状組織の形成と消滅は、Figs. 2(b,6に示す5種類の熱処理条件を調査した。またここでは、c)に示すように粒界炭化物の溶解に伴う炭化物からのCr比較材としてSK3鋼も同様の処理を行っている。これらのの放出と粒界拡散によるCrの粒界への供給による、粒界前熱処理工程は1000℃で保持する溶体化処理、A1点直下のCr富化による耐腐食性の向上に由来する現象である。

700℃で10時間保持する炭化物へのCr分配処理、A1点直粒内の耐食性よりもCr富化された粒界の耐食性が相対的上の二相θ＋γ領域内である780℃で保持し粒界炭化物に向上し、粒内が大きく腐食されても粒界の腐食が少ないのみを溶解させた後に焼入れを行うことでマルテンサイト

ために、結果として畝状に盛り上がって観察されたと考え組織を発達させるGBA処理、そして硬さを調整するため

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Fig. 6 Heat treatment conditions for the SUJ2 and SK3 steels: (a) Condition 1, (b) Condition 2, (c) Condition 3, (d) Condition 4, and (e)Condition 5, referred from [20] by CC-BY-4.0.

7Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

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新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開

ついても示している。SK3鋼はCrの分配処理の有無にか

,PSDFWYDOXH -FP

かわらず、いずれも30J/cm2にも満たない低い衝撃値を示

すことが見て取れ、先に示したCr分配の重要性を端的に示している。
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SUJ2鋼、SK3鋼ともに最も高い衝撃値が得られた熱処

6.

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理5（Fig. 6(e)）を施した試料の破断面を観察したとこ
ろ、SUJ2鋼の破断面では、ディンプル底に微細炭化物を有する微細なディンプルが全面に形成していたのに対し、



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&RQGLWLRQ

SK3鋼では一部粒界破壊や割れが見られた。すなわち、

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Crを多く含むSUJ2鋼では微細な炭化物がディンプル形成

Fig. 7 Impact values obtained from Charpy impact tests for the
SUJ2 and SK3 steels with each heat-treatment condition
shown in Fig. 6, referred from [20] by CC-BY-4.0.

の起点となり延性的な破壊が生じたのに対し、SK3鋼では脆性的な破壊が生じることが示唆された。
以上のような、熱処理条件に応じて機械的特性の違いが生じた要因を定量的に考察すべく、粒界炭化物に着目の焼戻し処理工程から構成されている。

して組織観察を行い、その面積率、円相当径、真円度)LJ

Fig. 7にそれぞれの熱処理を施したSUJ2鋼のシャルの計測を行った結果をFig. 8に示す。注目すべき点とし

ピー衝撃特性を示す。ここではFigs. 6(a-e)で示した熱処て、SUJ2鋼においては粒界炭化物の量の絶対値はSK3

理を順に、熱処理1-5（Condition 1-5）として示してい鋼中よりもやや高いものの、SK3鋼より真円度が高く微る。Crの分配処理を行わなかった熱処理1（Fig. 6(a)）

細な炭化物が多く存在していることが確認された。つま2を施した試料の衝撃値は30J/cm にも満たない低い値をり、Crを含有する鋼材では、A 1点直下で長時間保持する示したのに対し、Crの分配処理を含む熱処理5を施したCrの分配処理によりGBA処理が有効に働き、粒界炭化試料の衝撃値は約50J/cm 2まで増加した。また、図中に物の形態制御による衝撃値の向上が達成できていることは比較として、同じ熱処理を施したSK3鋼（1mass% C,が示された。すなわち、粒界炭化物の個数と同時に、そ0.43mass% Cr, 0.94mass% Mn, and 0.28mass%の形態制御も衝撃値向上には重要であることを本結果は

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特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

Si； Cr含有量がSUJ2鋼と比較して少ない）の衝撃特性に

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Fig. 8 Relationship between Charpy impact value and (a) area fraction, (b) average diameter and (c) circularity of the θ particles on
the grain boundaries, referred from [20] by CC-BY-4.0.

8Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開ႏPLQ
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Fig. 9 Heat treatment conditions for the steels: (a) Pre-GBA treatment without rolling, (b) Pre-GBA treatment with rolling, and (c) GBA
treatment and tempering, referred from [25] by CC-BY-4.0.

示しており、この点に対してもCr添加は有効であること示す2種類の熱処理を新たに検討した。これら熱処理工程を示している。本節の内容の更なる詳細に関しては、論においては、溶体化処理後のパーライト化処理、続けて

文

20))LJ

を参照いただきたい。

Crの分配処理、さらにA 1点をまたいで試料温度を上下させる炭化物の球状化処理と繰り返しのα⇄γ相変態による

５．3H過共析鋼実現のための鋼材組成最適化

結晶粒の微細化を施すことで、さらなる特性の向上を狙った。また、Fig. 9(b)に示すように、市販鋼材でも一般に以上のように、初期の検討ではCrを含む代表的な過共行われているような通常の圧延加工を施すことによる組織

析鋼として市販のSUJ2鋼に着目し、GBA処理に代表されの微細化効果、それに伴う衝撃特性への影響についても併る開発熱処理の有効性が明確に示されたことから、次の段せ調査した。以下では、前熱処理で圧延加工を施さない一階としてGBA処理の効果を最大限に引き出せる鋼材組成

連の熱処理をN-GBA（No-rolling）、圧延加工を施した熱の最適化探索へと開発研究をさらに発展させた経緯を述

処理をR-GBA（Rolling）と呼称する。

べる。上述の研究により、適切な前熱処理を組み合わせる得られた各鋼材におけるシャルピー衝撃値をFig. 10

ことでGBA処理による粒界・粒内炭化物制御が可能となに示す。比較として、第4節で述べたFig. 6(a)に示す熱り、SUJ2鋼の衝撃値を大幅に向上できた。しかし、GBA処理1を施した場合のSUJ2鋼の衝撃値を点線で示してい処理したSUJ2鋼では、不完全焼入れ相（ベイナイト）のる。元素添加による組成の調整を行っていないSUJ2鋼の生成が部分的に見られ、これがSUJ2鋼の衝撃値の更なる結果を比較すると、N-GBA、R-GBAいずれの熱処理を改善を阻害している懸念がある 21)、などの改善すべき点

施した試料においても、組成制御により著しく衝撃値がも見出された。そこで、ベイナイト生成の抑制を目標に、


鋼の組成を基本にしてMnやCrの組成を制御することによ&KDUS\LPSDFWYDOXH -FP

開発熱処理に適合した鋼材組成の探索を行うべく、SUJ2
る焼入性向上について明らかにすることに取り組んだ。
一方、高炭素鋼において、旧γ粒径の微細化が衝撃値の向上に有効であるという先行研究報告があることから22, 23)、結晶粒微細化に適した熱処理・塑性加工・相変態・鋼材組成の適正化による組織制御にも取り組んだ。旧
γ粒径の微細化には圧延や鍛造といった塑性加工が有効である。さらに、炭化物を層状パーライト組織として形成

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したうえで、A 1点をまたいで試料温度を上下させること

Fig. 10 Impact‌values obtained from Charpy impact tests on thesteels, prepared with heat-treatment conditions shown in
Fig. 9. The dotted line shows the results obtained fromthe SUJ2 steel without appropriate pre-heat treatment
for GBA treatment, referred from [25] by CC-BY-4.0.

で、効率的に炭化物を微細化・球状化することができることが知られており 24)、これを利用したγ粒径の微細化も期待できる。これらの知見を踏まえて、本節ではFig. 9に

9

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

)LJ

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究上昇していることが見て取れる。注目すべきことに、こするA 1点以上でより長い時間保持されたことで、母相中

れら試料中の旧γ粒径は圧延の有無によらずいずれも3のC量が高くなったためであると考えられる。ここで本研

μm以下まで微細化していることが確認され、適切な熱究の結果において、組成、熱処理によらず、鋼材の硬さが処理条件の設定により、強加工を施すことがなくても、高くなるにつれ衝撃値が小さくなる傾向がみられた。つまγ粒径の著しい微細化が実現できることが明らかになっり過共析鋼の衝撃値には、単なる圧延の有無といった要素

た。このような最適組成・組織制御の結果として、一般だけではなく、母相中のC量も強い影響を与えることが示

的な過共析鋼と比較して著しく高い衝撃値を得ることが

唆され、適切な熱処理条件を設計するにあたっては、A 1できた。すなわちこれは、GBA処理による粒界炭化物の点以上で保持する時間も機械的特性に影響を与える因子と優先的溶解に加え、熱処理による炭化物の微細球状化、して重要であることが示唆された。本節の研究結果の更なさらに旧γ粒の微細化といった効果が協調的にもたらしる詳細に関しては論文25)を参照いただきたい。

た結果といえる。ただし、Mnの単独添加を行った試料

以上のような2-5節に示した基礎的知見の蓄積によ（SUJ2-Mnと呼称）に関しては衝撃値が著しく低減してり、3H鋼開発のための基盤（要素技術）を確立するこいる。これは、Mn添加による粗大介在物の形成やマルとができ、これらの同時最適化を実現することにより、

テンサイトの変態開始温度（M s点）の低下による粗大な「TOUGHFIT®」の開発へと繋げることができた。

レンズマルテンサイトの形成が影響していると考えられ６．開発した3H過共析鋼が示す力学特性

る。一方で、Mnに加えてCr量を増加させることで、図中SUJ2-MnCrで示すように、Mnの悪影響を相殺すること上述したような熱処理と鋼材組成の最適化をさらに繰りができることも本研究により示された。
さらに本検討において、圧延を施していないN-GBA材

返し、SEM/EDS、EBSDやTEMを駆使した組織観察・元はR-GBA材よりも高い硬度を示した。これはN-GBA材は素分析と、硬さ、衝撃特性、引張特性等の機械的特性の評

圧延を施したR-GBA材と比較して、炭化物が迅速に溶解価、さらに平衡状態図計算に基づく材料組織の検討等をDႏPLQ*&ႏ ႏPLQ PLQ

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242LO4XHQFK$&$LU&RROLQJ

Fig. 11	‌Typical developed heat-treatment processes for novel high-carbon steels: (a)Pre-heat treatment, (b) GBA treatment, and (c) FM treatment.

10)LJ

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開

した微細炭化物が均一に分散されていることが見て取れ～0.8)mass%C-(0.2～0.8）mass%Mn-(1.4～3.5）

る。この3H過共析鋼のシャルピー試験値は197J/cm 2とmass%Cr-(0.2～0.4)mass%Vに決定した。必要とするいう著しく高い衝撃値となっている。この試験片の破断面

性能に応じてAlやSiといった元素も若干添加するが、Ni、を観察したところ、破断面は1μm以下の微細なディンプ

Wなどの高価な元素の積極的な添加は行っておらず、社会ルで覆われており、延性的な破壊が生じていた。また、開への広範な普及を第一目標に掲げ、レアメタルの最小限添

発鋼の破壊の様子を高速度カメラにより観察したところ、加による低コストでの高硬度・高強度・高靭性を実現し本開発鋼は試験片が大きくたわんでから破断している様子

た過共析鋼材となっている。またここで、工業的には高が観察された。一般的な過共析鋼では、シャルピー衝撃試

温（900～950℃）からの焼入れ処理も重要であること

験の際ハンマーが試験片に衝突すると同時に破断が生じ、を踏まえ、一般的にずぶ焼入れと呼ばれるFull Martensite

たわみ変形が起こることはない。このことからも、開発鋼（FM）処理もこれまでのGBA処理とあわせ検討したが、が一般的な過共析鋼と比較して著しく高い靭性を有してい

この際V元素をFM処理において高硬度・高強度・高靭性ることが実証された。

を得る上で必要不可欠な元素として新たに添加している。

開発された3H過共析鋼において高い衝撃特性が得られこのような様々な検討を重ねたうえで、現時点では熱処理た要因を明らかにするため、前述の最終的な基本組成の工程としても、Fig. 11に示す前熱処理（Fig. 11(a)）、3H過共析鋼を含む様々な組成の鋼材（本開発研究時に作GBA処理（Fig. 11(b)）、FM処理（Fig. 11(c)）を基本製した鋼材のすべて）での衝撃値と旧γ粒径およびマルテ

工程としている。GBA処理は2回の焼入れ工程を含むのにンサイト粒径の関係を評価した結果をFig. 13に示す。ま対し、FM処理は1回のみ焼入れる点で大きく異なり、本ず、Fig. 13(a)に示す衝撃値と旧γ粒径の関係に着目する鋼材はこのような多様な熱処理法に対応できることで、高と、γ粒径が比較的大きい約6μm以上の場合、結晶粒のいレベルで強度-延性バランスを自在に制御できるという微細化に伴い衝撃値は上昇しており、結晶粒微細化による優れた特性を有している。

靭性改善効果がみられる。一方、粒径が約6μm以下と微以下、上述のような基本鋼材組成、前熱処理条件を有す

細な場合は、それ以上の微細化では衝撃値は変化せず、る3H鋼に対し、GBA処理もしくはFM処理を施すことで200J/cm2前後の高い値で安定している。つまり、高靭性得られた力学特性について紹介する。

を得るためには6μm以下の微細な旧γ粒が必要であるこ

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究行うことで、最終的な3H過共析鋼の基本組成をFe-(0.6とが見て取れる。
6. 1. 衝撃特性

一方、Fig. 13(b)に示す衝撃値と焼戻しマルテンサイト

3H過共析鋼の基本組成の範囲内にある0.7C-0.2Mn-

D

2Cr-0.25V鋼に対してFig. 11(a)と(b)を組み合わせた&KDUS\LPSDFWYDOXH -FP

GBA処理を施した後、最終的に硬さが700HvとなるようにFig. 11(b)中の右端に示す焼戻し処理を行った。Fig.
12にGBA処理を施した鋼材が示す典型的な組織を示す。
粒径数ミクロンの微細なマルテンサイト母相中に、球状化

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Fig. 13 Relationships‌
between Charpy impact values and (a)prior γ grain size, and (b) martensite grain size invarious high-carbon steels.

Fig. 12	‌Typical microstructure evolved in the developed highcarbon steel after GBA treatment.

)LJ

11

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1)

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開

戻し温度の上昇と共に上昇したが、500℃付近でその上グループと約20J/cm2の低衝撃値グループに大きくわけら

昇に停滞が見られた。これら衝撃値の低下と停滞は、上れる。この2つのグループの違いを明らかにするために、述した低温焼戻し脆性と高温焼戻し脆性に関連した挙動

高衝撃値グループに属する0.7C-0.2Mn-2Cr-0.25V鋼とであると考えられる。ただし本開発鋼においては、いず

低衝撃値グループに属するSUJ2鋼それぞれについて、マれの温度で焼戻しをした試料においても、一般的な過共

ルテンサイト組織を観察した。その結果、0.7C-0.2Mn-

析鋼よりも著しく高い衝撃値（約180J/cm2以上）を示し

2Cr-0.3V鋼は微細なラスマルテンサイト組織が得られてた。いずれの試料においても破断面において微細なディいるのに対し、SUJ2鋼ではラスマルテンサイト以外にもンプルを形成する延性的な破壊が生じており、焼戻し後広い範囲にわたって扁平で尖った大きなレンズマルテンサ

も高硬度と高靭性が保たれていることが示された。

イト組織が形成していることが確認された。一般にマルテ
6. 3. 引張特性

ンサイトの形態はM s点の低下に伴いラス、バタフライ、
レンズ、薄板状と変化することが知られている

26)

。すな

構造用材料において衝撃値とならび重要な機械的特性の2

わち衝撃値が約200J/cm の高衝撃値グループと約20J/一つである引張特性についても調査を進めている。その一

cm2の低衝撃値グループに大きくわけられるのは、合金組例として、Fig. 14にGBA処理もしくはFM処理を施した成に由来したM s点の変化がもたらすマルテンサイト形態

TOUGHFIT®鋼における、引張試験にて得られる典型的な変化と密接に関連していると考えられる。つまり、優れた

応力－ひずみ曲線を示す。

靭性を有するラスマルテンサイト組織内に粗大なレンズマ

特筆すべきことにTOUGHFIT®鋼は高炭素鋼特有の高強ルテンサイトが存在すると、そこが亀裂の発生点となり、度として例えばFM材では2500MPa以上の最大強度を示

最弱リンクモデルに従い衝撃値が一気に低下するものと推し、かつ同時に約15％もの破断伸びを示す。この際応力察される。

ひずみ曲線には10%程度の大きな均一伸びと5％程度の以上の結果から、優れた衝撃特性を有する鋼材の条件と不均一伸びが共存し、すなわちTOUGHFIT®鋼は高炭素鋼

しては、旧γ粒径が3～6μmに制御可能であること、までありながら破断に至る前に明瞭なネッキング（局部伸たマルテンサイト組織は粗大なレンズマルテンサイトを含び）を示す。破壊に先立ちネッキングが生じるということ

まず、0.8～1.3μm程度の微細なラスマルテンサイト組

は、本3H鋼を部品として適用した際に破損の前触れとし織を有することが重要であることが示された。本開発によて部品に局部変形が生じることで発生する振動や異音を検り提示された組成を有する鋼材に開発熱処理を施すこと出できるということを意味しており、破損前に問題個所がで、これら条件を満足する鋼材が実現できる。

検出できるという点において、実用化に際し非常に重要かつ有益な特性である。

6. 2. 焼戻しによる衝撃特性の変化

以上のように、開発3H鋼は700Hvという高硬度を有し一般的に、炭素鋼材は高温からの焼入れ処理後、置き割ながら、同時に従来の高炭素鋼の概念を覆すような革新的れの防止、残留γ量の調整、硬さと靭性の調整といった目な機械的特性、すなわち、従来の高強度を保持しつつ同時的で焼戻し処理が施されている。しかしながら、焼戻し温に極めて高い延性と耐衝撃性を具備している。さらにこの度が300℃程度では低温焼戻し脆性が、500℃程度では高温焼戻し脆性が発生し、機械的特性が劣化するとの報

3000

告がなされている 27)。また、摺動部品などに用いる際に2500

は、使用中の摩擦により部品温度が上昇し、焼戻し処理と同様の熱履歴を受けることがあることに留意しなくてはならない。そこで、開発した3H過共析鋼の用途拡大を念頭

Stress (MPa)

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

粒径の関係には相関がみられず、約200J/cm2の高衝撃値に置き、焼戻し温度と機械的特性の関係を調査した。
0.7C-0.2Mn-2Cr-0.25V鋼に対してGBA処理もしく
はFM処理を施した試料に対し、200～650℃までの種々

2000

fracture point

1500
1000

の温度で焼戻し処理を施し、その硬さとシャルピー衝撃
値への影響を評価したところ、200～300℃での低温で500の焼戻し後の衝撃値は前述のように約200J/cm2という著
しく高い値を示した。しかし350℃で焼戻しを行うと、

00

その衝撃値は約180J/cm 2となり、若干の低下がみられた。ただしこのような衝撃値の低下はGBA処理材と比較−TOUGHFIT ® GBA treatment−TOUGHFIT ® FM treatment

510Strain (%)

15

20

Fig. 14	‌Typical stress-strain curves of TOUGHFIT® in thetensile tests at room temperature.

しFM処理材においては少なかった。その後、衝撃値は焼Fig
12Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開減に寄与するエコプロダクトとして、TOUGHFIT®の展開

脆化に対しても著しい耐性を有することが明らかとなってを見据えた研究・開発を推進している。

おり、さらには水素脆化、遅れ破壊挙動に対しても比較的謝辞

良好な特性を有する可能性が示唆されている。本鋼材のさらなる普及のために理解・制御することが必要不可欠な本鋼材の長期力学的信頼性を明らかにすべく、現在疲労特性

本研究の一部は科学研究費補助金（JP21H01652,の支配因子に関する知見習得も進めており、これらの結果

24K01196）、ならびに国立研究開発法人新エネル

についても近日中に報告予定である。

ギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託事業「エネルギー・環境新技術先導プログラム」の支援を受けて実施®

７．TOUGHFIT の実用化状況と今後の展開されました。記してここに謝意を表します。

参考文献

産学連携成果より開発され山陽特殊製鋼より商品化さ®

れたTOUGHFIT の実用化事例として、コマツでのトンネ
ルボーリングマシン（TBM）のカッタリング用鋼への適1)

zu/h24/html/hj12010401.html

用を紹介する（Fig. 15）。TBMは岩盤に押し当てられた
カッタリングがカッタヘッドの回転とともに自転するこ

環境省HP: https://www.env.go.jp/policy/hakusyo/

2)南埜宜俊，萩原幸司，山本幸治，壬生翔平，平塚悠とで,岩盤を破砕しながら掘削する建設機械である。この輔，藤松威史，杉本隼之 出願人：国立大学法人大阪大

カッタリングには高い耐摩耗性と耐衝撃性の観点から、高学，コマツ，山陽特殊鋼株式会社，高硬度かつ靭性に

硬度高靭性であることが求められ、レアメタルが多く添加優れる鋼，出願番号 2017-158007.

された冷間ダイス鋼が従来用いられていた。TOUGHFIT®

3)南埜宜俊，萩原幸司，山本幸治，壬生翔平，平塚悠は汎用的な軸受鋼や機械構造用鋼に類した省合金でありな輔，藤松威史，杉本隼之，出願人：国立大学法人大阪

がら、従来鋼より優れた耐摩耗性と耐衝撃性を両立するこ大学，コマツ，山陽特殊鋼株式会社 高硬度かつ靭性に®

優れる鋼, 国際出願番号: PCT/JP2018/029752，国とが様々な実験・検証から確認されており、TOUGHFITが搭載されたコマツのTBMは市場にて良好な使用実績が得られている。

際公開番号: WO/2019/035401.
4)

TOUGHFIT®の更なる展開として、自動車や建設機械、

山陽特殊鋼株式会社プレスリリース: https://www.
sanyo-steel.co.jp/system/upload/news/20230330_

産業機械で使用される軸受やギヤ・シャフトなどの駆動系

news.pdf

部品への適用を見込んでいる。これらの部品は表面硬さと5)Japanese Industrial Standards, JIS G 4805, (2019).

耐衝撃性の確保を目的にガス浸炭焼入れが多用されてい6)

K. Shiozawa, L. Lu and S. Ishihara: Fatigue Fract.

るが、ガス浸炭処理は多量のCO2排出を伴うことから、昨今のカーボンニュートラル推進の社会背景の下では、ガス浸炭に依らない熱処理方法が望まれている。TOUGHFIT

Eng. Mater. Struct., 24 (2001), 781–790.
7)®

Ueyama, T. Daio and S. Hata: Mater. Sci. Eng. A,

は、ずぶ焼入れにて高硬度と高靭性の両立が可能であり、さらには疲労特性に関しても優れることが報告 28)されて

Y. Koizumi, T. Otsuka, Y. Minamino, T. Takayama, M.
577 (2013), 29-35.

8)

いることから、浸炭熱処理工程の省略によるCO2排出量削

T. Uesugi: Trans. Iron Steel Inst. Japan, 28 (1988),
893–899.

9)

Y. Wang, J. Sun, T. Jiang, Y. Sun, S. Guo and Y. Liu:
Acta Mater., 158 (2018), 247-256.

10) Y. Wang, J. Sun, T. Jiang, C. Yang, Q. Tan, S. Guo
and Y. Liu: Mater. Sci. Eng. A, 754 (2019), 1–8.
11) K. Chen, Z. Jiang, F. Liu, J. Yu, Y. Li, W. Gong and C.
Chen: Mater. Sci. Eng. A, 766 (2019), 138272.
12) J. Sun, S. Guo, S. Zhao, M. Ma, Y. Liu: Mater. Sci.

&XWWHUULQJ

Eng. A, 790 (2020), 139719.
13) W. Chen, P. Gao, S. Wang, X. Zhao and Z. Zhao:
Mater. Sci. Eng. A, 797 (2020), 140115.
14) J. Liang, H. Lu, L. Zhang, F. Li, R. Cao, K. Liu, H.
Pan, H. Teng, X. Li, A. Guo and Z. Zhao: Mater. Sci.

Fig. 15	‌Cutter ring in the tunnel boring machine using
TOUGHFIT®.

Eng. A, 801 (2021), 140419.

)LJ
13

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

3H鋼は、従来高強度鋼における大きな問題点である低温

新しい高硬度・高強度・高靭性過共析鋼「TOUGHFIT®｣の実用化と今後の展開

特集 カーボンニュートラルに寄与する特殊鋼研究

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14

Sanyo Technical Report Vol.31 (2024) No.1