久留米工業高等専門学校材料工学科教授

技術解説

高合金白鋳鉄の残留オーステナイトの分解挙動

博士(工学) 笹栗 信也
Nobuya Sasaguri

Decomposition behavior of retained austenite of high alloyedwhite cast iron１．まえがきブクリティカル処理及び焼なまし後の焼入れ・焼戻

高クロム鋳鉄や多合金白鋳鉄などの高合金白鋳
鉄は、鋳造時に M7C3、MC、M2C 等の高硬度の炭し処理した 2 つの場合について、 の分解挙動について述べる。

化物を多量に晶出し、その後の熱処理によって基地も硬化するため、耐アブレッシブ摩耗性に優れてい

2.1 サブクリティカル処理及び焼戻し後のミクる。そのため、熱間圧延ロールや鉱物粉砕用ミルのロ組織変化

タイヤ及びライナなどの耐摩耗部材として使用されている。

Fig.1 に 17%Cr-2%Mo 亜共晶鋳鉄をサブクリテ
ィカル処理した時の光学顕微鏡組織を示す。

同鋳鉄の耐摩耗性を含めた機械的性質は、鋳造時に晶出する炭化物の量や晶出形態に依存するとともに、基地組織にも大きく影響される。とくに基地中に存在する残留オーステナイト()は、圧延ロール材に使用される場合には、靭性を増加させる効果もあるが、耐肌荒れ性の低下やスポーリングなどによる割れの原因となる 1) 2)。一方、鉱物粉砕用ミルのタイヤなどに使用される場合には、 は耐摩耗性を増加させる効果がある 3) 4)。そのため、使用目的に応じて製品中の残留オーステナイト量(V )を制御することは極めて重要である。
そ こ で 、 こ こ で は 17%Cr 亜 共 晶 鋳 鉄 及 び
Fe-5%Cr-5%Mo-5%W-5%V-C の多合金白鋳鉄について、 鋳造後の低温度での加熱処理（サブクリテ
ィカル処理）あるいは焼入れ後の焼戻しに伴うの分解挙動とそれに伴う硬さ変化について研究した結果について紹介する。

２．高クロム鋳鉄のの分解

高クロム鋳鉄は、鋳造まま、焼入れまま、鋳造後
サブクリティカル処理、鋳造後焼入れ・焼戻し、焼なまし後焼入れ・焼戻し処理が行われるなど、様々な熱処理状態で使用される。このうち、鋳造後のサ5

Fig.1 Effect of treating temperature on
microstructure and volume fraction ofretained austenite(V ) of heat-treatedspecimens from as-cast state. Holding
time: 1.2 x 104 s

フジコー技報−tsukuru No. Fig.3 SEM microstructure of decomposed
region of austenite in heat-treated specimen(Fig.2 (c)).

このようなサブクリティカル処理や焼戻し処理による組織変化は、Cr 量の高い 26%Cr 鋳鉄でも同様に起こる。

2.2 分解挙動
Fig.4 は 17%Cr-2%Mo 亜共晶鋳鉄をサブクリテ
ィカル及び焼戻し処理したときの各処理温度でのの分解率(f )と保持時間(t)の関係を求めたもので
Fig.2 SEM microphotographs and volume
fraction of retained austenite(V) of
as-hardened specimen from annealedstate(a) and heat-treated specimens fromas-hardened state (b) and (c).

ある。分解率は、（1）式で定義され、Vは X 線回折により求めた。
f = (Vb-Va)/Vb ‐‐‐(1)Vb:処理前の V、Va:処理後の V

また、Fig.2 に焼入れ・焼戻し処理時の金属組織の SEM 写真を示す。
いずれの場合も腐食液としてピクリン酸塩酸アルコールを用いている。鋳造状態あるいは焼入れ状態では、基地はほとんどであるが、焼戻し温度が高くなるとともに、また、同じ処理温度でも保持時間が長くなるほど、 の分解が進み、黒く腐食された領域が拡大する。腐食された領域では、ベイナイ
トあるいはマルテンサイトと考えられる針状の組織や炭化物の析出及び Fig.3 に示すようなパーライト組織が観察される。このことから、の分解は、炭化物の析出やパーライト変態が起り、不安定となったの一部が処理後の冷却過程でベイナイトあるいはマルテンサイト変態して、進行すると考えられる。

Fig.4 Relationship between decomposition
ratio(f)of retained austenite and holding
time. (a)As-cast specimen, (b) Hardened
specimen from annealed state.
(Hardening temp.:1423K)
6

いずれの場合も、f は各加熱温度に関わらず保持時から、 の分解のための活性化エネルギーを求める

間 t の増加とともに S 字状に上昇している。この挙と、鋳放し試料で約 354kJ/mol、焼入れ・焼戻し試

動は、再結晶や鋼の等温変態と同じであり、 の分料で約 278kJ/mol となる。Ni を含有する 17%Cr 鋳解が、パーライトあるいは炭化物の等温析出によっ鉄や Mo や Ni を含有する 26%Cr 鋳鉄でも同様の値て進行すると考えることができる。 Fig.5 は Fig.4が得られており、いずれの試料でも鋳放し状態ではに示した各試料の f-t 曲線から処理温度毎にのオーステナイト中に合金元素が多く含まれるため分解の開始(DS、分解率 10%)及び終了(Df、分解率に、 がより安定で分解しにくいことが明らかであ90%)の時間を求めたものである。これから、鋳造状る。

態でのの方が、焼入れ状態のよりも分解が遅れることがわかる。後述するように、最高硬さが得2.4 サブクリティカル処理及び焼戻しに伴う硬られる時の Vは 10%程度であり、初期の Vがわかれさ変化

ば、本図から各処理温度での最高硬さを得るときのサブクリティカル及び焼戻し処理のいずれの場合保持時間を推定することができる。

も、 の分解で、パーライトや炭化物の析出が起り、不安定となったがその後の冷却でベイナイトあるいはマルテンサイト変態するため、2 次硬化を示す。Fig.6 は、17%Cr-2%Mo 亜共晶鋳鉄を、鋳放し状態あるいは焼入れ状態から種々の温度で加熱した時の硬さ変化を示している。いずれの場合も、保持時間の増加とともに硬さは上昇し、最高硬さを示した後低下する。Fig.6(a)及び(b)を比較すると、鋳放し状態からの加熱では、2 次硬化の割合が小さい。
この現象は 26%Cr 鋳鉄でも同様であり、高硬度を得るには、焼入れ・焼戻し処理をする必要がある。

Fig.5 Time-Temperature-Decomposition
curves of retained austenite by heattreatment. (a)As-cast specimen, (b)Hardened specimen from annealed state.
(Hardening temp.:1423K)

2.3 分解の活性化エネルギー

鋳造後のサブクリティカル処理あるいは焼入れ後の焼戻し処理のいずれの場合もの分解は等温変態で進んでいることから、この時の、分解の速度式は、(2)式の JMAK5)の式で表されると考えられる。
f = 1 - exp{-(Kt) n }ここで f ：--------(2)の分解率、t：保持時間、K：温度依存の反応速度定数、n：定数(2)式を変形し、2 回対数をとって、f を t に対してプロットすると K を求めることができる。これ
7

Fig.6 Effect of treating temperature onrelationship between macro-hardness andholdingtimeandheat
treatment
temperature. (a) As-cast specimen, (b)hardened specimen from annealed state.
(Hardening temp.:1423K)

フジコー技報−tsukuru No. 最高硬さとその時のとの関係を求めると、Fig.7

これは、炭化物の析出によって、オーステナイトが 10%程度の場合に中の C 及び合金元素濃度が低下し、Ms 点が上昇す得られる。このような結果についても、その他のるために、処理後の冷却時にマルテンサイトあるい17%Cr や 26%Cr 鋳鉄についても認められている。

はベイナイト変態したためである。さらに焼戻しがに示すように、最高硬さは、進むと、基地中に多くの炭化物の析出及び凝集が起る。なお、焼戻しによって析出する炭化物は、M6C、MC 及び M7C3 である 6)。

3.2

の分解挙動Fig.9 は 2.13%C の多合金白鋳鉄の焼戻し処理によるの分解率 f と保持時間 t との関係を示している。高クロム鋳鉄と同様に、f は保持時間ｔの増加とともに、S 字状に増加する。この曲線から分解の開始(DS、分解率 10%)及び終了(Df、分解率 90%)時間
Fig.7 Relationship between macro-hardness
and volume fraction of retained austenite(V) of heat treated specimens.
(Hardening temp.:1423K)

３．多合金白鋳鉄のの分解

ように、多合金白鋳鉄でも焼戻しによって最高硬さが得られる時の Vは 5～10%であるため、この図か
ら初期の Vがわかれば、最高硬さを得る時の焼戻しに必要な保持時間の推測が可能である。

多合金白鋳鉄の場合、通常鋳造後焼なましを行い、その後焼入れ・焼戻し処理が実施されるために、ここでは、上記の場合におけるを求めると、Fig.10 に示すようになる。後述するの分解挙動について

また、C 量が多くなると、分解終了までの時間が長くなる。
なお、高クロム鋳鉄と同様に、分解の活性化エネ
ルギーを求めると、2.13%C 試料で約 293kJ/mol、述べる。

2.41%C 試料では約 244kJ/mol となる。これらの値

3.1

焼戻し処理後のミクロ組織変化

は、オーステナイト中の Fe、Cr、Mo、W、V の拡散

Fig.8 に 2.41%C の多合金白鋳鉄の焼入れ及び焼戻し組織を示す。焼入れ状態で平坦に見えるが焼戻しによって減少し、マルテンサイトあるいはベイの活性化エネルギーに近い値であり、分解はこれらの元素のオーステナイト中の拡散に支配されると考えられる。

ナイトと考えられる針状組織が増加している。

(a) As hardenedV≒50

(b) Tempered by 773K×
8.64×104s
V≒21

(c) Tempered by 823K×3.456×105s
V≒2

Fig. 8 Variation of microstructure associated with tempering condition.
(Hardening temp.:1373K, C:2.41%)

8

Fig.9 Relationship between holding
time at tempering temperature anddecomposition
ratioofretainedaustenite(f). (Hardening temp.:1373K)Fig.11 Effect of tempering temperature andholding time on macro-hardness of specimens.
(Hardening temp.:1373K)

Fig.12 Relationship between macro-hardness oftempered specimens and tempering parameter P.
(Hardening temp.:1373K)
Fig.10 Time-Temperature-Decomposition
curves of retained austenite in specimens.
(Hardening temp.:1373K)

3.4

最高硬さと Vとの関係

最高硬さと焼戻し後の Vとの関係を求めると、Fig.13 に示すようになり、高クロム鋳鉄の場合と同様に最高硬さは Vが 5～10%の時に現れる。この

3.3

焼戻しによる硬さ変化と焼戻しパラメー傾向は、C 量が 2.41% の時も同様である。

タとの関係
Fig.11 に焼戻しによる硬さ変化の一例を示す。
いずれの焼戻し温度の場合も高クロム鋳鉄の場合と同様に、明らかに 2 次硬化を示し、焼戻し温度の低下とともに、2 次硬化を示す時の保持時間は長時間側へ移動する。
本合金系と同様な合金元素を有する高速度鋼などでは、焼戻し後の硬さは、焼戻しパラメータ（P）で整理できることが多い。そこで、多合金白鋳鉄の場合も焼戻し後の硬さを P で整理すると、Fig. 12に示すように、うまく整理できる。

9

Fig.13 Relationship between macro-hardness
and volume fraction of retained austenite(Vg) oftemperedspecimens. (Hardening temp.:1373K)
４.
おわりにフジコー技報−tsukuru No. ４．おわりに
高クロム鋳鉄や多合金白鋳鉄は，鋳造時や焼入れ時に多量のを含有するため、材料の特性を十分に発揮させるためには、これを制御することが重要であると考え、これまでの研究データを紹介した。研
究データを羅列する形になったが、何かの参考になれば幸いである。
参考文献
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MaratrayandA.

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Transactions, 90 (1982) 795
5)

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6)

橋本光生，久保修，笹栗信也，松原安宏：

熱処理 17 (1977) 236

鋳造工学 76（2004）20510