軽量化を可能にする鋼材開発に向けた新たな分析手法の確立

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ものづくり現場における小型中性子源の貢献

2018年2月5日
理化学研究所
日本原子力研究開発機構
東京都市大学

要旨

理化学研究所(理研)光量子工学研究領域中性子ビーム技術開発チームの池田義雅特別研究員、大竹淑恵チームリーダー、日本原子力研究開発機構物質科学研究センターの鈴木裕士グループリーダー、東京都市大学工学部の熊谷正芳講師らの共同研究グループ※は、「理研小型加速器中性子源システムRANS(ランズ)[1]」を用いて、鉄鋼材料軽量化の鍵となるオーステナイト[2]相分率の測定に成功しました。

近年、地球温暖化対策として二酸化炭素(CO2)排出量の削減が求められており、自動車などの輸送機器では、軽量化による燃費向上が急務です。自動車の軽量化には、薄くかつ高強度の高張力鋼が適しています。近年多く活用されつつある高性能な高張力鋼には、オーステナイトを活用して、高い延性[3]と高強度を同時に実現した複相鋼があります。この複相鋼は、加工とともにオーステナイトがより硬い結晶相であるマルテンサイト[4]に変態するため、高延性かつ高強度となります。このようにオーステナイトは積極的に活用される一方で、焼き入れ[5]が不完全なことにより生じた相「残留オーステナイト」になるという側面があり、硬さの低下や、外力や経年による寸法変化などの原因にもなります。したがって、鋼材の品質・性能を保つには、オーステナイトの相分率やその変化を正しく測定・制御することが重要です。相分率を鉄鋼材料のバルク[6]に対して測定するには、鋼材に対して透過性の高い中性子を用いる中性子回折法[7]が有効です。しかし、その中性子源は研究用原子炉などの大型実験施設に限られ、企業の研究室や工場などでの利用が期待される小型中性子源では、ビーム強度が低くこれまで測定されてきませんでした。

今回、共同研究グループは、オーステナイトを含む2相からなる複相鋼をサンプルとして、RANSで中性子回折測定を行いました。回折計の構築では、遮蔽を効率的に配置してバックグラウンドノイズを低減することで、2相それぞれの回折ピークを識別できるようにしました。その結果、複相鋼のオーステナイト相分率を1%以下の精度で測定することに成功しました。これは大型実験施設での測定結果と一致しており、小型中性子源の有用性が示されました。また、開発した回折計は小型装置の利点を生かすため、小型化することで各装置やサンプルへのアクセス性も確保されています。

本技術は今後、材料の基礎研究、新材料開発及び品質検査のために行われる研究室レベルでの相分率測定に利用されると期待できます。

本研究成果は、日本鉄鋼協会『鉄と鋼』(3月1日号)に掲載されるのに先立ち、オンライン早期公開版(2月5日付け)に掲載されます。

本研究の一部は、日本鉄鋼協会「小型中性子源による鉄鋼組織解析法」研究会I、文部科学省「光・量子融合連携研究開発プログラム」の支援を受けて実施しました。

※共同研究グループ
理化学研究所 光量子工学研究領域 光量子技術基盤開発グループ
中性子ビーム技術開発チーム
チームリーダー   大竹 淑恵 (おおたけ よしえ)
特別研究員     池田 義雅 (いけだ よしまさ)
上級研究員     高村 正人 (たかむら まさと)
特別研究員     箱山 智之 (はこやま ともゆき)
日本原子力研究開発機構 物質科学研究センター
グループリーダー  鈴木 裕士 (すずき ひろし)
(理化学研究所 光量子工学研究領域 光量子技術基盤開発グループ 中性子ビーム技術開発チーム 客員研究員)
東京都市大学 工学部 機械システム工学科
講師        熊谷 正芳 (くまがい まさよし)
(理化学研究所 光量子工学研究領域 光量子技術基盤開発 グループ中性子ビーム技術開発チーム 客員研究員)
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1.背景

近年、地球温暖化対策として二酸化炭素(CO2)排出量の削減が求められており、自動車などの輸送機器は、軽量化による燃費向上が急務となっています。自動車の軽量化には、車体の主材料として最も多く使われている鋼板の厚さを薄くすることが有効とされています。そのためには、薄くても高い引張り強度(強度)を維持できる高張力鋼板の利用拡大が望まれます。しかし一般的には、鋼の強度が高くなるにつれて延性が低下し、プレス加工が難しくなります(図1)。そこで、強度とプレス加工性を高い次元で両立した材料の開発が重要です。

図1 鋼板の引張り強度と伸び(加工性)の関係性
横軸の引張り強度が高いほど縦軸の加工性が低くなる。高張力鋼板の利用拡大には、強度と加工性を両立する鋼材を開発することが重要。

現在、高張力鋼の中でも、「オーステナイト」を含む複数の結晶相から成る複相鋼が広く使用されています。複相鋼は、加工とともに、オーステナイトがより硬質な結晶相であるマルテンサイトに変態するため、延性に富み、かつ強度が高いという優れた性質を有します。このように、複相鋼においてオーステナイトは積極的に活用されています。

一方、オーステナイトは焼き入れが不完全なため変態せずに残った相であり、「残留オーステナイト」と呼ばれます。硬さの低下や、外力や経年による寸法変化などの原因になるという一面もあり、鋼材の用途によっては、オーステナイトは極力減らしたいという場合があります。したがって、オーステナイトの相分率を正しく把握して制御することは、新たな高張力鋼板の開発につながるだけでなく、製品の品質維持の面でも極めて重要です。

オーステナイト相分率の測定には、量子ビーム[8]による回折測定がよく用いられています。しかし、一般的によく用いられるX線回折法[9]や電子線後方散乱回折法[10]では、鋼板のごく表面層の相分率しか測定できません。したがって、これらの手法は、強度や加工性といったマクロな特性の評価には必ずしも適しているとは言えません。

これに対して、中性子回折法は、鉄鋼材料内部の結晶情報をバルク平均で得られる特徴を持つことから、オーステナイト相分率の測定手段として注目されています。しかし、現状では中性子回折測定が可能な中性子源は、研究用原子炉や大型加速器施設などの大型実験施設に限られ、ユーザーが頻繁に測定する機会を得ることは困難です。一方、理研では、大学や企業の研究室、工場などの現場で手軽に使える中性子源として、「理研小型加速器中性子源システムRANS(ランズ)」を構築し、その利用技術の研究開発を進めてきました(図2)。

図2 RANSの基本構造
陽子を加速し、ターゲットステーション内にあるベリリウム(Be)薄膜に衝突させて核反応を起こし、中性子を発生させる。

小型中性子源は大型実験施設と比較して、ビーム強度が低いため、中性子回折法での測定は困難でした。RANSによって複相鋼のオーステナイト相分率の測定が可能になれば、研究室レベルの中性子利用により、新しい材料開発や鋼材の品質管理などの手法が大きく進歩すると期待できます。そこで共同研究グループは、RANSを用いた回折測定の実現を目指しました。

2.研究手法と成果

共同研究グループは、フェライト[11]とオーステナイトの2相から成る複相鋼を用意しました。回折測定では、結晶の構造によって決まった回折パターンが得られます。今回の複相鋼では、2種類の相由来の回折ピークが同時に得られることから、これらの強度を比較することで、オーステナイト相分率を求めることができます。

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