残留オーステナイト
残留オーステナイト（retained austenite）とは、鋼の焼入れ工程において、冷却終了後もマルテンサイトへ変態しきれずに室温で安定した状態のままオーステナイト組織が残存する現象、またはその相そのものを指す。通常、オーステナイトは高温でのみ安定な面心立方格子（FCC）構造をもつ相であり、急冷によってマルテンサイトへと変態するが、合金元素の影響や冷却条件によって変態が不完全となり、残留オーステナイトが生成される。その量は鋼の化学組成・冷却速度・焼入れ温度によって大きく変動し、数%から数十%に及ぶこともある。残留オーステナイトは軟質で延性に富む半面、経時変化による寸法不安定・疲労強度低下などの問題を引き起こすため、熱処理設計における重要な管理項目である。
生成メカニズム
鋼を焼入れする際、オーステナイト化温度から急冷するとマルテンサイト変態が始まる温度（Ms点）に達し、冷却の終了する温度（Mf点）まで変態が進む。Mf点は炭素量や合金元素量が増加するほど室温以下に下がり、室温での冷却停止時点でオーステナイトの一部が変態を完了できない。炭素・窒素・マンガン・ニッケルなどのオーステナイト安定化元素はMs点・Mf点をともに低下させ、残留オーステナイト量を増やす方向に作用する。一方、クロムやモリブデンは炭化物を形成し、マトリックス中の炭素量を下げることで残留オーステナイトを減少させる。浸炭焼入れでは表面層の炭素量が増大するためMs・Mf点が表面と内部で異なり、特に表面に多量の残留オーステナイトが生じやすい。
定量と評価方法
残留オーステナイトの定量にはX線回折パターン（XRD）が最も広く用いられる。オーステナイト（FCC）とマルテンサイト（BCT）の回折ピーク強度比から体積分率を算出する方法であり、非破壊・定量的な評価が可能である。一般的には鉄のγ相（200）・（220）・（311）面と、α相（200）・（211）面の強度を比較し、直接比較法またはリートベルト法で解析する。X線の侵入深さは数μm程度であるため、表面近傍の値を反映する点に注意が必要である。バルク全体を評価する場合は中性子回折も有効である。磁気飽和法では磁性のないオーステナイト相の割合を磁化測定から算出でき、X線回折と相補的に利用される。
EBSD・ミクロ組織観察
電子線後方散乱回折（EBSD）を用いた走査電子顕微鏡（SEM）解析では、結晶構造を相ごとにマッピングし、残留オーステナイトの分布形態・粒径・結晶方位を空間的に可視化できる。EBSDは局所的な情報を得る点でXRD法を補完し、組織制御の指針を得るうえで有用である。光学顕微鏡では腐食液によってオーステナイトとマルテンサイトのコントラストを得ることができるが、定量精度はXRD・EBSDに劣る。
機械特性への影響
残留オーステナイトは軟質相であるため、硬さ（HRC）の低下要因となる。軸受・歯車などの耐摩耗部品では、適切な量の残留オーステナイトが接触疲労寿命を向上させる効果も報告されており、表面き裂の進展を抑制する働きがある。その理由として、残留オーステナイトが繰返し応力下でマルテンサイトへ加工誘起変態（TRIP効果）し、圧縮残留応力を局所的に生成してき裂進展を抑えるメカニズムが挙げられる。一方、過剰な残留オーステナイトは硬度不足・疲労強度低下・摩耗量増大を招くため、用途に応じた最適量の管理が求められる。浸炭焼入れ部品では表面の残留オーステナイト量を15%以下に管理することが一般的とされる。
寸法変化と時効安定性
残留オーステナイトは準安定相であり、使用中の応力・熱・時間の影響によって徐々にマルテンサイトや炭化物へと変態する。この変態は体積膨張を伴うため、精密部品では寸法変化・変形が問題となる。軸受・ゲージ・精密工具などでは、焼入れ後に深冷処理（サブゼロ処理、−60～−196℃への冷却）を行い、Mf点以下まで冷却することで残留オーステナイトをマルテンサイトへ強制変態させる。さらに焼き戻しを繰り返すことで、残留オーステナイトの分解と炭化物析出を促し、組織を安定化させる。JIS規格部品では焼戻し温度・回数の管理が寸法精度の保証と直結している。
深冷処理（サブゼロ処理）
深冷処理は、焼入れ直後の部品をドライアイス（約−78℃）または液体窒素（約−196℃）に浸漬し、Mf点以下で保持する工程である。処理温度が低いほど残留オーステナイトの変態率は高くなる。処理後は速やかに焼き戻しを行い、新生マルテンサイトの脆化を防ぐ。炭素工具鋼鋼材や高炭素クロム軸受鋼（SUJ2）では寸法安定化の手段として標準工程に組み込まれることが多い。
合金組成と残留オーステナイトの関係
炭素量が増えるほどMs点が低下し、残留オーステナイト量は増加する傾向がある。0.6%C以上の高合金鋼や工具鋼では焼入れ後に10〜30%程度の残留オーステナイトが存在することもある。マンガン・ニッケル・銅などのオーステナイト安定化元素を多量に含む強靭鋼では特に注意が必要である。高速度工具鋼では高温焼入れによって大量の残留オーステナイトが生じるが、三回焼戻しによる逐次的な変態・析出によってほぼ完全に分解させる操作が行われる。オーステナイト系ステンレス鋼は組成的に残留オーステナイトの概念が異なり、室温での安定オーステナイト相を利用した材料であるため、残留オーステナイトの問題は主にマルテンサイト系・析出硬化系に限られる。
製造現場における管理
製造現場では、残留オーステナイト量をロットごとにXRDで測定し、規格値内に収まることを確認するプロセス管理が行われる。焼入れ温度・冷却速度・焼戻し温度・回数の各パラメータが残留オーステナイト量に影響するため、熱処理炉の温度均一性と雰囲気管理が重要となる。焼きなまし法との工程設計の区別を明確にし、各工程の目的に応じた温度プロファイルを設定する。自動車の歯車・軸受・射出成形用金型など、高寸法精度・高疲労強度が要求される部品では、残留オーステナイトの管理が品質保証の根幹をなしている。JIS・ISOの材料規格および顧客仕様書に残留オーステナイトの許容値が明記されることも多く、出荷前検査の必須項目となっている場合がある。
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