素材別ソリューション

炭素鋼

材料別観察用試料作製ソリューション

このガイドでは、炭素鋼の金属組織写真の準備と分析を開始する方法についてアドバイスします。このガイドには、金属組織検査アプリケーションで最良の結果を得るためのヒントが含まれています。

一般的な切断

一般的な取り付け

一般的な研削と研磨

一般的なエッチング

一般的な硬さ試験

炭素鋼を扱う際に考慮すべきこと

鉄鋼材料は、その汎用性の高さから様々な産業で広く使用されています。組成のわずかな変化や加工工程によって、特性が変わることがあります。優れた表面仕上げは、一般的に以下の手順のいずれかを使用することで容易に実現できます。

炭素鋼切断のヒント

切断はすべて湿式で行い、切断部に十分な量のクーラントを流してください。湿式切断は、乾式切断よりも滑らかな表面仕上げが得られます。クーラントを使うことで、過熱や機械的なひずみによる表面の損傷も防ぐことができる。切断中の損傷を減らすことは重要です。破断などの機械的損傷は、構造体の奥深くまで入り込むと、後の研磨工程が長くなります。切断砥石には、主に2つのタイプがあります：アブレッシブ砥石と精密切断砥石です。

アブレッシブ砥石切断のヒント

砥石の刃にはさまざまな結合強度があり、さまざまな材料との結合強度と砥粒の種類の効率に基づいて推奨されます。不適切な砥石を選択すると、不適切な摩耗率や熱損傷を引き起こし、微細構造が変化する可能性があります。アブレッシブ砥石は、全体が樹脂で結合された研磨材でできている。砥石は使用すると小さくなり、切断できなくなります。その後、新しい砥石を切断装置に取り付けて、さらに切断することができます。

砥石／砥石は、材料の種類と切断する部分のサイズに応じて選択する必要があります。鉄系材料を切断する場合は、材料の硬度を知ることで、選択する砥石を絞り込むことができます。ビューラーのように、材料の硬度によって刃がグループ分けされている場合もあります。一般的に、鋼材が硬いほど砥石の結合が柔らかくなります。これにより、摩耗した研磨材を確実に除去し、新しい研磨材で効率的な切断を続けることができます。より軟らかい鋼材は、より硬いボンド砥石で切断でき、砥石の寿命が延びます。

切断砥石のサイズも切断パラメータに影響します。大きくて厚い砥石は、薄い砥石よりも多くの材料を除去しますが、発熱も大きくなります。砥石から発生する熱を抑えるには、送り速度を下げる必要があります。

鉄材用の推奨切断砥石
直径	10インチ (254mm)	12インチ (305mm)	14インチ (356mm)	16インチ (406mm)
HRC 15-35	102511P 0.06インチ[1.5mm]	103011P 0.079インチ [2mm]	12-4305-010 0.063インチ [1.6mm]
HRC 35-50	102510P 0.06インチ [1.5mm]	103010P 0.083インチ [2.mm]	1103510P 0.098インチ [2.5mm]	10-31616-010 0.125インチ [3mm]
HRC 50-60	10-31014-010 0.06インチ[1.5mm]	10-31212-010 0.08インチ [2mm]	103509P 0.098インチ [2.5mm]	10-31612-010 0.125インチ [3mm]
HRC 60以上	102509P 0.06インチ [1.5mm]	103009P 0.08インチ [2mm]	103509P 0.098インチ [2.5mm]	10-31610-010 0.125インチ [3mm]
高速度鋼、ステンレス鋼、浸炭鋼	102508P 0.063インチ [1.6mm]	103008P 0.079インチ [2mm]	103508P 0.102インチ [2.6mm]
一般鋼, 超合金, 非鉄	12-4205-010 0.051インチ [1.3mm]	12-4405-010 0.055インチ [1.4mm]	12-4305-010 0.063インチ [1.6mm]	12-5605-010 0.075インチ [1.9mm]

精密カッティングチップ

精密切断砥石は、鉄系材料の金属組織学的前処理においては、小さいサンプルやデリケートなサンプルを切断する際に使用します。精密切断砥石は、使用中に壊れることはありません。砥石の外縁には、研磨材が金属合金と結合した部分があり、手入れをすれば、精密切断砥石1個で切断砥石1箱分よりも長持ちします。精密切断砥石は、鉄系材料で、目的の形状の近くを正確にカットしたり、カットの幅（カーフロス）を小さくすることが重要な場合など、より難しいカットに使用できます。

精密切断砥石を使用するもう一つの利点は、かかる負荷が低いため、発熱が少なく、ダメージが少ないことです。

アブレッシブ砥石も精密切断機用に作られています。砥石が破損する可能性が高い場合に使用できます。これは、クランプが困難な部品や、切断中にずれる可能性のある部品、工程にばらつきがある場合（例：複数のオペレーター）などです。

炭素鋼用推奨砥石
砥石タイプ	5インチ (127mm)	7インチ (178mm)	8インチ (203mm)	ドレッシングスティック
精密切断砥石	11-5265 0.020インチ [0.4mm]	11-5267 0.025インチ [0.6mm]	11-5268 0.035インチ [0.9mm]	11-1190 11-2490
切断砥石	10-4061-101 0.019インチ [0.48mm]	10-4061-101 0.019インチ [0.48mm]

炭素鋼埋込のヒント

サンプルを樹脂包埋することで、その後の試料作製(研磨)や検査工程を自動化し、取り扱いを容易にすることができます。複雑な形状のサンプルを樹脂包埋して均一な形状にすることで、サンプル前処理プロセスの自動化が可能になります。

また、試料を樹脂包埋することで、研磨中のエッジや表面欠陥を保護・保存することができます。取付け方法は、試料の微細構造を変化させるものであってはなりません。圧力と熱は、有害な影響を及ぼす最も一般的な原因です。加熱加圧埋込では、約180℃の温度と約270barの圧力が一般的です。

試料の形状と特性によって、鉄試料の適切な取付け方法が決まります。試料が薄い場合や変形しやすい場合は、常温硬化埋込を使用してください。このような試料は高圧に弱い傾向があります。試料が圧力に敏感でない場合、加熱加圧埋込は時間と費用の節約になります。

加熱加圧埋込

一般的な使用には、フェノキュアが適しています。エポメットまたはディアリルフタレートは、フェノキュアよりも優れたエッジ保持性を示すため、この基準を優先する場合には良い選択肢となります。透明な金型に関心がある場合は、トランスオプティックを検討してください。熱可塑性プラスチックであるトランスオプティックは、105～115℃の温度で約20分間加熱・保持することで、樹脂包埋を軟化させ、サンプルの除去を可能にします。

電子顕微鏡用には、プローブメットが銅ベースの導電性媒体として適しています。試料に銅が含まれる場合、コンダクトメットはプローブメットに代わるカーボン充填導電性媒体です。

常温硬化埋込

適切な樹脂を慎重に選択することで、タイミング、粘度、温度、収縮など樹脂包埋のニーズを満たすことができます。アクリル系は、5～30分の短時間で硬化するため、スループットを向上させることができます。しかし、アクリル系はサンプルの接着や浸透のレベルが低いため、推奨されない。エポキシ系は、電子部品の樹脂包埋媒体として推奨されます。粘度が低く、作業時間が長い混合エポキシは、真空含浸システムと併用することで、複雑な形状への浸透レベルを向上させることができます。

炭素鋼の研磨のヒント

硬い鋼は通常、軟鋼ほど難しい調製方法ではない。より硬い合金の中には、3段階の行程で調製できるものもあります。

ビューラーのバーストディスペンシングシステムを使用すると、ダイヤモンドを節約し、一貫性を向上させることができます。

バーストディスペンシングシステムの理想的なレートは、研磨盤のサイズと使用する研磨バフによって変わります。一般的なガイドラインとして、研磨盤サイズが8インチの場合、バースト設定は3から始めるのが良いでしょう。十分な研磨剤と布の濡れ性を確保するために、最適な設定を決定するためにいくつかの実験が必要な場合があります。バースト・ディスペンサーは、必要に応じて、ダイヤモンドと同時に進展液を吐出することもできます。

研磨方法に記載されている荷重は、φ1.25インチ埋込試料を取り付けた場合の推奨値です。試料作製時に全体荷重研磨を使用する場合は、記載されている力に研磨する試料の数を乗じてください。異なる試料サイズの場合は、荷重換算計算機を使用して、お客様の用途に適した荷重を決定してください。

硬質鋼の研磨手順
研磨面	荷重 [N]	基本回転数 [rpm]	相対回転数	時間
DGDカラーレッド (75μmダイヤモンド)	6 [27]	300 rpm		Until Plane
9umメタダイ多結晶ダイヤモンドヘラクレスH研削ディスク	6 [27]	150 rpm		5:00
3um メタダイ多結晶ダイヤモンドトライデント	6 [27]	150 rpm		3:00
マイクロクロス（0.05μmマスタープレップアルミナ入り	6 [27]	150 rpm		2:00
= 研磨盤 = 研磨盤　試料ホルダー = 試料ホルダー　 *必要に応じてメタダイ Fluid 進展液を加える。

熱処理鋼の研磨手順
研磨面	荷重 [N]	基本回転数 [rpm]	相対回転数	時間
DGDカラーレッド (75μmダイヤモンド)	6 [27]	300 rpm		Until Plane
9umメタダイ多結晶ダイヤモンドヘラクレスSグラインディングディスク	6 [27]	150 rpm		5:00
マイクロフロックと3μm メタダイ多結晶ダイヤモンド	6 [27]	150 rpm		3:00
= 研磨盤 = 研磨盤　試料ホルダー = 試料ホルダー　 *必要に応じてメタダイ Fluid 進展液を加える。

軟鋼の研磨手順
研磨面	荷重 [N]	基本回転数 [rpm]	相対回転数	時間
カービメット 320グリット	6 [27]	300 rpm		Until Plane
9μmのメタダイSupremeダイヤモンドを使用したウルトラパッド	6 [27]	150 rpm		5:00
3um メタダイ多結晶ダイヤモンドベルドテックス	6 [27]	150 rpm		3:00
マイクロクロスと0.05um マスタープレップアルミナ	6 [27]	150 rpm		2:00
= 研磨盤 = 研磨盤　試料ホルダー = 試料ホルダー　 *必要に応じてメタダイ Fluid 進展液を加える。

炭素鋼エッチングのヒント

表20.5: 鉄と鋼
構成	コメント
90-99mℓ メタノールまたはエタノール 1-10mℓ HNO₃	ナイタル。鉄、炭素鋼、合金鋼、鋳鉄用の最も一般的なエッチング液。アルファ粒界と成分を明らかにする。マルテンサイト組織に優れる。2%溶液が最も一般的で、高合金鋼には5～10%溶液が使用される（保存不可）。試料を約1分間浸漬またはスワビングして使用する。
100mℓエタノール 4g ピクリン酸	ピクラール。フェライトと炭化物からなる組織に推奨。フェライトの粒界を明らかにしない。0.5～1%の塩化ゼフィランを添加すると、エッチング速度と均一性が向上する。
100mℓ エタノール 5mℓ 塩酸 1g ピクリン酸	ビレラ試薬。フェライト-炭化物構造に有効。事前のオーステナイト粒径を推定するための結晶粒コントラストが得られる。572～932°F[300～500°C]で焼戻ししたマテンタイトに最適。時折、高合金鋼の先行オーステナイト粒界を明らかにする。ステンレス鋼の成分を明らかにする。工具鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼に有効。
飽和ピクリン酸水溶液粒子に少量の湿潤剤を加えたもの。	BechetとBeaujardのエッチ、先行オーステナイト界面に最も有効なエッチング液。マルテンサイト系ベイナイト鋼に有効。多くの湿潤剤が使用されているが、トリデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムは最も成功した湿潤剤の一つである（ドデシルバージョンも入手しやすく、同様に機能する）。68～212°F［20～100℃］で使用する。スワブまたは試料に2～60分間浸漬する。超音波洗浄器でエッチングする（文献2、219-223頁参照）。100mℓの溶液あたり0.5 CuCl2、または約1% HClの添加が、高合金鋼のエッチングに使用されている。常温エッチングが最も一般的である。軽く裏磨きして表面のヤニを除去する。
150mℓ 水 50mℓ HCl 25mℓ HNO₃ 1g CuCl2	フライ試薬を改良したもの。18%Niマルエージング鋼、マルテンサイト系およびPH系ステンレス鋼に使用。
100mℓ 水 25g NaOH 2g ピクリン酸	アルカリ性のピクリン酸ナトリウム。McQuaid-Ehn浸炭試料に最適なエッチング液。セメンタイトを黒くする。1～15分間の煮沸、またはDC6V、0.5A/in2、30～120秒の電解を使用。高炭素鋼で粒界膜が存在しない場合、オーステナイト粒界を明らかにすることがある。
3部のHCl 2部のグリセロール 1部のHNO₃	「グリセレジア」オーステナイト系ステンレス鋼用。結晶粒組織を明らかにし、シグマや炭化物の輪郭を描く。新鮮なうちに混ぜる。綿棒で使用する。
100mℓエタノール 100mℓ塩酸 5g CuCl₂	Kalling's no. オーステナイト系および二相鋼用のKalling's no.2（「水なし」Kalling's）エッチ。フェライトは容易に侵されるが、炭化物は侵されず、オーステナイトはわずかに侵される。68°F[20°C]で浸漬またはスワビングにより使用。保存可能。
15mℓ HCl 10mℓ 酢酸 5mℓ HNO3 グリセロール2滴。	酢酸グリセリン。新鮮なうちに混ぜる。高合金ステンレス鋼に使用。
水 100mℓ K₂Fe(CN)₆ 10g KOHまたはNaOH	村上試薬。通常、オーステナイト系よりもフェライト系ステンレス鋼種に適している。68°F[20°C]で7～60秒使用：炭化物シグマが3分までのエッチングでかすかに攻撃される。176°F[80°C]～沸騰で2～60分間使用：炭化物は濃色、シグマは青色（常に侵されるわけではない）、フェライトは黄色～黄褐色、オーステナイトは侵されない。常に均一なエッチングが得られるとは限らない。
水 100mℓ シュウ酸 10g	DC6Vでステンレス鋼に使用。炭化物は15～30秒、粒界は45～60秒、シグマは6秒のエッチングで明らかになる。1-3Vも使用。炭化物を溶解し、シグマは強く侵され、オーステナイトは中程度に侵され、フェライトは侵されない。
100mℓ 水 20g NaOH	マルテンサイト系、PH系、二相ステンレス鋼のフェライト相を着色するために使用。3～5VDC、68°F [20°C]、5秒、ステンレス鋼カソードで使用。フェライトの外形と褐色に着色。
40mℓ 水 60mℓ HNO₃	オーステナイト系ステンレス鋼(304、316など)のオーステナイト境界を明らかにするが、双晶境界は明らかにしない電解エッチング。電圧が重要。ステンレス鋼には白金カソードが好ましい。DC1.4V、2分間で使用（参考文献2、235、238、239頁参照）。
50mℓ 原液* 1g K₂S₂O₅	Klemm's I 試薬。表面が着色するまで室温で浸漬する。鉄鋼のフェライト相の着色、P偏析の顕在化、過熱に有効で、エッチング時間は40～100秒。鋳鉄低合金鋼のフェライトおよびマルテンサイトの着色には、通常3分まで。
50mℓ 原液* 5g K₂S₂O₅	Klemm's II 試薬。鋼試料の場合、20℃で30～90秒間浸漬すると、P偏析が明らかになる。オーステナイト系 Mn 鋼の場合、ガンマイエローから茶色または淡色から暗青色、アルファマルテンサイトは暗褐色。オーステナイト系マンガン鋼に良好。
100mℓ エタノール 2mℓ HCl 0.5mℓ H₂SeO₄	ベラハのセレン酸エッチング 1. 鋳鉄、鋼、工具鋼用。より良い結果を得るために、ニタールプリエッチングを推奨します。試料表面が着色するまで試料を浸漬して使用する。セメンタイトは赤紫色に、フェライトは黄色または茶色に、リン化物は青緑色に着色する。
100mℓ エタノール 5-10mℓ 塩酸 1-3mℓ H₂SeO₄	ベラハのセレン酸エッチング 2. 一般に試料を20℃で1～10分間浸漬する。炭化物や窒化物を検出する場合は黄色または淡褐色の表面色、デルタフェライトを検出する場合は橙色から赤色の表面色が形成されます。高合金グレードには20～30mℓのHClを使用でき、HClが高いほど浸漬時間は短くなる。
* 原液：低温飽和Na2S2O3水溶液

炭素鋼のイメージング・チップ

合金や用途によって、分析の目的は異なります。分析の一般的な目的には、気孔率、汚染物質、粒構造、相パーセント、寸法測定などがある。寸法測定は、OmniMet ソフトウェアの下位レベルのいずれかを使用して取得し、保存することができます。しかし、他の分析やエクスポートのニーズには、より高度なバージョンのOmniMetソフトウェアが必要な場合があります。

炭素鋼硬さ試験のヒント

硬さ試験用標準試料
	ASTM	ISO
Brinell	E10	6506
Rockwell	E18	6508
Vickers	E92,E384	6507
Knoop	E384	4545
計装化	E2546	14577
換算表	E140	18265
ASMハンドブック第8巻：機械的試験と評価	硬さ試験セクション

ビューラーでは、以下のスケールのうち少なくとも1つを試験できる装置を提供しています：ブリネル、ロックウェル、ビッカース、ヌープ。前述のスケールを使用する場合は、試験方法の規格があります。表に挙げたような規格は、スケールの適切な試験方法を参照するのに適した場所です。機器、サンプル、試験方法などの要件が記載されており、適切なスケールを決定するのに役立ちます。

装置の能力は、自動化のレベルや文書化によって異なります。硬さ試験ソフトウェアと統合されているものもあります。ビューラーのDiaMetのようなソフトウェアは、部品の効率的な試験、精度、結果の文書化を支援します。これは、1つの部品に大量の圧痕を付けなければならない場合に特に役立ちます。