ベイナイトとは──マルテンサイトでもパーライトでもない第三の組織

焼き入れで鋼をA1点から冷却するとき、冷却速度によって得られる組織が変わります。水冷→マルテンサイト、炉冷→パーライト（またはフェライト）——この2択の間に「ベイナイト」という第三の組織が存在します。ベイナイトはパーライトより硬く、マルテンサイトより靱性が高い中間的な特性を持ちます。大断面部品で冷却が遅れた芯部にベイナイトが生まれることがありますが、一方でオーステンパーという処理で意図的にベイナイトを生成させ、高靱性・低変形を狙う設計もあります。

ベイナイトが生まれる温度域

鋼をオーステナイト化後に冷却すると、冷却速度と到達温度によって異なる変態が起きます（TTT・CCT線図参照）。

• Ac1点（〜720℃）以上：オーステナイト（変態前）
• 〜550℃：パーライト変態（高温側）、フェライト変態
• 約250〜550℃：ベイナイト変態域
• Ms点（〜350℃以下）：マルテンサイト変態開始

ベイナイトはこの中間温度域で生まれます。温度が高い側（上部ベイナイト）と低い側（下部ベイナイト）では組織と性質が大きく異なります。

上部ベイナイトと下部ベイナイトの違い

上部ベイナイト（約350〜550℃）

比較的高温域で生成するため、フェライトラスが比較的粗く成長し、ラス間に炭化物（Fe₃C）が島状・板状に析出します。炭化物がフェライトラスの間に集中しているため、ラス間の炭化物が脆弱な面を形成します。

機械的性質：硬さは35〜45HRC程度、マルテンサイトより靱性は高いが、下部ベイナイトより劣る。衝撃値が低く、実用材として使う場合は下部ベイナイトを目指す方が多い。

下部ベイナイト（約200〜350℃）

低温域で生成するため、フェライトラスが微細で、炭化物がラス内部に細かく分散します。炭化物がラス内に閉じ込められた形になり、割れの伝播を阻害します。

機械的性質：硬さは45〜55HRC程度、マルテンサイト（同硬さ）より衝撃値が高い。「硬さと靱性の両立」が最も実現しやすい組織と言われます。オーステンパーで意図的に生成させる組織はこの下部ベイナイトです。

質量効果でベイナイトが芯部に生まれる状況

大断面の焼き入れでは、芯部の冷却速度が遅くなる質量効果（→A-02参照）が生じます。表面がマルテンサイトに変態していても、芯部はベイナイトやパーライトになっているケースがあります。

ベイナイトを意図的に利用する──オーステンパーとADI

ベイナイトを積極的に利用する代表例が「オーステンパー」処理です（→A-11参照）。オーステナイト化後にベイナイト変態温度帯（250〜400℃）に焼き入れし、等温保持でベイナイト変態を完了させます。

球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）にオーステンパーを施した「ADI（オーステンパー球状黒鉛鋳鉄）」は、その靱性と強度のバランスから、クランクシャフト・歯車・懸架部品などに使われます。ADIのベイナイトマトリクスは通常の球状黒鉛鋳鉄より引張強さが2〜3倍高く、加工性・コストの点でも優れています。

トラブル事例