鳥取県産業技術センター研究報告 No.23 (2020)

浸炭焼入れ鋼の組織微細化を目指した繰返し熱処理
Cyclic Heat Treatment for Grain Refinement of Carburized and Quenched Steel松田知子
Tomoko Matsuda

機械素材研究所

無機材料担当機械要素部品に用いられる浸炭焼入れした低合金鋼 SCM415 の強度向上を目指し、高周波焼入れの繰返し処理を行った。高周波焼入れ処理後の金属組織（旧オーステナイト組織、マルテンサイト組織）は、1 回処理では結晶粒サイズが様々な混粒であったが、繰返し処理することによって、均一に微細化することがわかった。

1.

はじめに周波焼入れを 1 回施すと旧オーステナイト粒径が微機械要素部品に用いられる低合金鋼クロムモリブ細化することが報告されている 6)。西川らや織田ら

デン鋼（SCM415）には、機械的強度特性を付与するの報告では、結晶粒微細化元素（Ti5）、Nb6））を含有ため浸炭焼入れ処理が施される。浸炭焼入れ処理中する合金鋼が用いられている。の浸炭工程では、A3 変態点を超える高温で数時間保

本報では、一般的に流通している SCM415 に対し持し炭素を鋼材表面に侵入させ、その後の焼入れ処て結晶粒の微細化を狙い、浸炭焼入れされてある理によって浸炭部分の組織がマルテンサイト化する

SCM415 に高周波焼入れを繰り返した場合の旧オーことで表面強度が増加する。この浸炭工程におけるステナイト組織と焼入れマルテンサイト組織の微細高温保持によって、焼入れ前の組織である旧オース化について検討した結果を報告する。

テナイト組織は、粗大化する傾向にある。旧オーステナイト組織は、粒径が小さいほど種々の強度が向

2.

実験方法

上すると考えられている 1)～3)。低合金鋼の結晶粒の本研究で用いた試料クロムモリブデン鋼

微細化には、一般的に微量の合金元素を添加する手（SCM415）の化学成分を表 1 に示す。試料の寸法法が用いられてきたが、添加量に制約があることやは、径 10mm、高さ 20mm とした。焼ならし（180℃、添加による加工性の悪化、また合金元素価格の高騰

3 時間）を施したのち、図 1 に示す条件の浸炭焼入などの理由から、合金元素添加によらない微細化方れ処理を行った。浸炭焼入れ後、表 2 に示す条件の法が求められている。合金元素を添加せずに低合金高周波焼入れを行った。高周波焼入れの条件は、浸鋼を高強度化する手法のひとつに結晶粒の微細化が炭焼入れで得られた硬化層深さの領域に重ねて焼入ある。結晶粒の微細化は、材料の延性や靭性を顕著れをするものである。各熱処理を施した試験片の断に害することなく高強度化することができるといわ面の表面近傍について組織観察を行った。旧オースれている 4)。旧オーステナイト組織の微細化におい

テナイト組織の観察にレーザー顕微鏡（SFT4500、て、浸炭焼入れされた SCr420 に真空焼入れと焼戻（株）島津製作所）、焼入れマルテンサイト組織の観しの繰返し熱処理が有効であると西川らによって報察に電子顕微鏡（（株）日立ハイテク、SU5000）と告されている 5)。また、織田らによって浸炭材に高EBSD（Electron BackScatter Diffraction）検出器（（株）

TSL ソリューションズ、Digiview5）を用いた。硬さ試験には、マイクロビッカース硬さ試験機（（株）ミツトヨ、HM-220D）を用いた。

表１ 供試物件の化学成分（wt%）
CSiMnPSCuNi

CrMo

0.17

0.27

0.79

0.012

0.016

0.02

0.01

1.130.16

図１

浸炭焼入れの作業図

表２

高周波焼入れ条件
条件

周波数200kHz

電力

27kW

移動焼入れ（速度）
冷却方法
回数15mm/min
水冷

図２

旧オーステナイト組織（a）は浸炭焼入れ後、（b）は（a）に高周波焼入れ 1 回処理、（c）は（a）に高周波焼入れ 5 回処理

1 回/5 回浸炭後 1 回の高周波焼入れで微細な旧オーステナイト組織が得られた報告では、鋼材中に組織の微細3.

結果と考察化に寄与する元素（Al、Nb、Mo）が含まれている 6)。

図 2 に各熱処理後試験片の旧オーステナイト組織

このような元素を含まない SCM415 では、粒成長ののレーザー顕微鏡による観察像を示す。図 2 の（a）抑制効果が期待できないため、浸炭焼入れ後 1 回のは浸炭焼入れ後、（b）は（a）に高周波焼入れ 1 回、高周波焼入れでは均一に微細化されなかったと考え

および（c）は（a）に高周波焼入れ 5 回繰返し処理られる。高周波焼入れを 5 回繰返し処理する間に組したときの旧オーステナイト組織である。

織は微細化されていたことから、組織の微細化に寄（a）は低合金鋼の浸炭焼入れ後、一般的にみられ与する元素が含まれない場合、高周波焼入れの繰返る旧オーステナイト組織であり、粒径が 50m を超し処理が有効であると考えられるが、その閾値に関える粗大な結晶粒もみられるが、平均粒径は約 18 ±しては今後の検討事項である。

9m である。(b)には、粗大粒と微細化傾向のある結

図3に、電子顕微鏡とEBSD検出器によって得られ晶粒の混粒が現れていた。
（c）には、粒径約 5m 以た焼入れマルテンサイト組織の粒径分布マップを示下の均一な微細粒が観察された。供試物件では、1 回す。浸炭焼入れ後の組織は、針状を呈している。高の高周波焼入れでは、結晶粒が均一に微細化しなか周波焼入れを1回施すと針状組織は微細化傾向にあった。

図３

焼入れマルテンサイト組織の結晶粒径カラーマップ

り、5回繰返し処理を施すとさらに均一に微細化された焼入れマルテンサイト組織が現れている。図2の旧焼入れマルテンサイト組織は、旧オーステナイト組織の微細化にともなって微細化していた。

オーステナイト組織の微細化に伴って、焼入れマル浸炭焼入れ後と高周波焼入れの繰返し処理を施しテンサイト組織も均一に微細化する傾向である。

た試料の表面近傍のビッカース硬さは変化がなかっ

図 4 に焼入れ硬化層のビッカース硬さを示す。浸た。

炭焼入れ後、それに高周波焼入れを繰返した試験片の焼入れ硬化層硬さはほとんど変化していない。低合金鋼の浸炭焼入れ材には、残留オーステナイトが一定量発生するといわれている

7)。浸炭焼入れ材に高周波焼入れを繰返しても表面近傍のビッカース硬謝

辞

本実験にあたり、浸炭焼入れ処理、高周波焼入れ処理にご協力いただいた鳥取県金属熱処理協業組合
生田様に感謝申し上げます。
本研究は、財団法人 JKA から競輪等の一部であるいた残留オーステナイト量に変化がなかったためで機械工業振興資金の援助を受けた設備を利用して行あると推測される。

いました。

ビッカース硬さHV 0.2さが同水準であったことは、浸炭焼入れ時に現れて

文
1000

献1） Tatsuro, O.;et al.; Effect of Austenite Grain Size on
the Fatigue Crack Growth and Arrest Behavior of

500

Carburized Steel, 鉄と鋼, 97(11), p.52-56(2011).
2） Yoshiyuki, F., et al.; High-cycle fatigue properties

0０回

１回

５回

高周波焼入れ回数
図４

浸炭焼入れ、高周波焼入れ後の表面硬さ

for modified-ausformed SCM440 steels, CAMPISIJ, 14, p.635(2001).
3） Tohru, H. et al.; The Method of Prior Austeneite
Grain Refining Using Induction Hardening, JFE 技

4.

おわりに浸炭焼入れした低合金鋼 SCM415 に高周波焼入れを繰返し処理した金属組織について、以下の結果を得た。

報, 23, p.4-9(2009).
4） 高木節雄; 鉄の強化機構と限界強度，まてりあ，36(7), p.675-679(1997).
5） Motohiro, N, et al.; Effect of Austeneite Grain Size

高周波焼入れ 1 回ではさまざまな結晶粒サイズのon Mechanical Properties of Carburized and混粒組織が得られた。5 回繰返し処理を施すと、均repeatedly Quenched Case Hardening Steel, Sanyo

一に微細な結晶粒となることがわかった。

Technical Report, 14, p.42-49(2007).

6） 織田和幸，有見幸夫，無田上章，浸炭焼入れ方法，4079139(2008).
7） Tadashi, M.; Retained Austenite and Its Role in theImprovement of Mechanical Properties of Steels,
Sanyo Technical Report, 2(1), p.2-8(1995).