JP2001240942A - Mn NONMAGNETIC SEAMLESS STEEL PIPE FOR CRYOGENIC USE - Google Patents

Mn NONMAGNETIC SEAMLESS STEEL PIPE FOR CRYOGENIC USE

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JP2001240942A
JP2001240942A JP2000053922A JP2000053922A JP2001240942A JP 2001240942 A JP2001240942 A JP 2001240942A JP 2000053922 A JP2000053922 A JP 2000053922A JP 2000053922 A JP2000053922 A JP 2000053922A JP 2001240942 A JP2001240942 A JP 2001240942A
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JP
Japan
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steel pipe
temperature
seamless steel
low
pipe
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Application number
JP2000053922A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuyuki Morito
延行 森戸
Akira Yorifuji
章 依藤
Takaaki Toyooka
高明 豊岡
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JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high Mn nonmagnetic seamless steel pipe low in permeability under cryogenic conditions, having uniform low permeability in the circumferential direction and being suitable to a large beam pipe for a particle accelerator. SOLUTION: This steel pipe has a composition containing, by mass, 0.05 to 0.15% C, 26.0 to 30.0% Mn, 5.0 to 10.0% Cr and 0.05 to 0.15% N, or moreover containing 0.50 to 5.0% Ni and/or <=0.02% Ca, and the balance Fe with inevitable impurities.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温用構造材料
として好適な継目無鋼管に係り、とくに超電導磁石など
の強力な磁場発生装置を、あるいは粒子加速器を建設す
るために必要なビームパイプを、構成するために必要
な、極低温で使用される非磁性鋼継目無鋼管に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a seamless steel pipe suitable as a structural material for cryogenic use, particularly to a strong magnetic field generator such as a superconducting magnet or a beam pipe necessary for constructing a particle accelerator. The invention relates to a nonmagnetic steel seamless steel pipe used at cryogenic temperatures required for construction.

【0002】[0002]

【従来の技術】核融合発電や粒子加速器、超電導力貯蔵
などの各種の超電導利用技術において、強力な磁界を発
生させるために大容量の電流を流す必要から超電導磁石
が用いられている。このような超電導磁石内には強大な
電磁力が誘起され、しかも通常液体ヘリウムにより2〜
4Kの極低温に冷却されることから、超電導磁石を支持
する構造材料には極低温下で強大な電磁力に耐えること
ができる機械的強度が要求される。しかも、均一で安定
な強磁界分布をできるだけ広範囲に発生させることが基
本的な目的であるから、構造材料による磁界への影響は
限りなく小さくすることが肝要となる。したがって、磁
界との相互作用を起こさない非磁性材料であることが必
須条件である。
2. Description of the Related Art In various superconducting technologies such as nuclear fusion power generation, particle accelerators, and superconducting power storage, superconducting magnets are used because a large amount of current needs to flow to generate a strong magnetic field. A strong electromagnetic force is induced in such a superconducting magnet, and usually, liquid helium causes
Since the superconducting magnet is cooled to an extremely low temperature of 4K, a structural material supporting the superconducting magnet is required to have a mechanical strength capable of withstanding a strong electromagnetic force at an extremely low temperature. Moreover, since the basic purpose is to generate a uniform and stable strong magnetic field distribution as widely as possible, it is important to minimize the influence of the structural material on the magnetic field as much as possible. Therefore, a non-magnetic material that does not interact with a magnetic field is an essential condition.

【0003】以上の観点から、超電導磁石の内部や周辺
に用いる構造材料には、極低温での高い機械的性質と極
めて低い透磁率を具備することが求められる。とくに、
粒子加速器用ビームパイプは、素粒子を超高真空中で加
速させるために、粒子加速器には必須の部材であるが、
超電導磁石で構成された均一な磁束分布を損なわないこ
とが重要となる。このため、ビームパイプは、磁界との
相互作用を起こさないように、極めて低い透磁率を具備
することが求められる。さらに、ビームパイプは超伝導
コイルに直接接触しないため、極低温下で強大な電磁力
に耐える高い機械的強度を要求されないが、ビームパイ
プ内を高真空度に維持できるように、気密性が要求され
る。
[0003] From the above viewpoints, it is required that the structural material used inside or around the superconducting magnet has high mechanical properties at cryogenic temperatures and extremely low magnetic permeability. In particular,
Particle accelerator beam pipe is an essential component for particle accelerators in order to accelerate elementary particles in ultra-high vacuum.
It is important not to impair the uniform magnetic flux distribution constituted by the superconducting magnet. For this reason, the beam pipe is required to have an extremely low magnetic permeability so as not to interact with a magnetic field. Furthermore, since the beam pipe does not directly contact the superconducting coil, it does not require high mechanical strength to withstand strong electromagnetic force at cryogenic temperatures, but airtightness is required to maintain a high vacuum inside the beam pipe. Is done.

【0004】従来、上記した超電導磁石の内部や周辺に
用いる構造材料として検討されていた素材としては、オ
ースナイト系ステンレス鋼、高Mn鋼、アルミニウム合
金、チタン合金、さらに繊維強化プラスチックなどがあ
る。これら構造材料に要求される強度、透磁率および熱
膨張率は、製作する超電導磁石の設計磁界の強さや目的
とする磁場の分布の均一性などによって異なってくる
が、極低温での強度が高く、透磁率および熱膨張率が小
さいことが材料選択のうえで重要となる。
[0004] Materials which have been conventionally studied as structural materials used in and around the superconducting magnet include austenitic stainless steel, high Mn steel, aluminum alloys, titanium alloys, and fiber-reinforced plastics. The strength, magnetic permeability and coefficient of thermal expansion required for these structural materials vary depending on the design magnetic field strength of the superconducting magnet to be manufactured and the uniformity of the target magnetic field distribution. Low magnetic permeability and thermal expansion coefficient are important in selecting a material.

【0005】繊維強化プラスチックは、非磁性であり、
比重が小さくて取り扱いやすく、オーステナイト系ステ
ンレス鋼に比較して低熱膨張係数を有するが、単位断面
積当たりの強度が低く、さらに気密性、耐熱性が低く、
ベーキング等の脱ガス処理により高真空を得る大型の粒
子加速器用材料としては問題を残していた。また、チタ
ン合金は、比重が小さく、強度が高く高比強度を有して
いるが、低温での靱性が低くうえ、コストが高いという
問題がある。
[0005] Fiber reinforced plastics are non-magnetic,
Low specific gravity, easy to handle, has low coefficient of thermal expansion compared to austenitic stainless steel, but low strength per unit cross-sectional area, airtightness, heat resistance is low,
There remains a problem as a large particle accelerator material for obtaining a high vacuum by degassing such as baking. Titanium alloys have a low specific gravity, a high strength and a high specific strength, but have the problem of low toughness at low temperatures and high cost.

【0006】アルミニウム合金は、軽量で、比強度が高
く透磁性も極めて低いことから、極低温での多くの用途
に用いられているが、大型粒子加速器におけるように設
計磁界を高くした場合には強度が不足し、溶接性にも問
題がある。また、ベーキング等の脱ガス処理を行う場合
には高真空度の到達が困難であり、ベーキング等の脱ガ
ス処理を行い高真空度を得る大型の粒子加速器用材料と
しては問題が多い。
Aluminum alloys are lightweight, have high specific strength, and are extremely low in magnetic permeability, and are therefore used in many applications at extremely low temperatures. However, when the design magnetic field is increased as in large particle accelerators, aluminum alloys are used. Insufficient strength and poor weldability. Further, when performing degassing such as baking, it is difficult to attain a high degree of vacuum, and there are many problems as a material for a large particle accelerator that achieves a high degree of vacuum by performing degassing such as baking.

【0007】一般のオーステナイト系ステンレス鋼は、
低温での強度と靱性が不十分であるため、窒素を添加
し、低炭素含有量としたステンレス鋼が開発されてい
る。しかし、このステンレス鋼は、オーステナイト相の
安定性が不十分であるため、低温での変形によってオー
ステナイト相の一部が強磁性体のマルテンサイト相に変
態する。このため、靱性の低下を招くとともに、極低温
での透磁率が十分には低くならないという問題があっ
た。
[0007] General austenitic stainless steels are:
Due to insufficient strength and toughness at low temperatures, stainless steels with a low carbon content by adding nitrogen have been developed. However, in this stainless steel, since the stability of the austenite phase is insufficient, a part of the austenite phase is transformed into a ferromagnetic martensite phase by deformation at a low temperature. Therefore, there is a problem that the toughness is reduced and the magnetic permeability at an extremely low temperature is not sufficiently reduced.

【0008】その後、さらにNi含有量を高めたオーステ
ナイト系ステンレス鋼が開発されたが、極低温用構造材
料としてはコストの高いことと熱膨張係数の大きいこと
に問題があった。このような問題に対し、特公昭59−11
661 号公報や特公平5-18887 号公報には、比較的安価な
高Mn非磁性鋼やその製造方法が提案されている。
Thereafter, an austenitic stainless steel having a further increased Ni content was developed. However, there were problems in that the structural material for cryogenic use had a high cost and a large thermal expansion coefficient. In response to such problems, Japanese Patent Publication No. 59-11
Japanese Patent Publication No. 661 and Japanese Patent Publication No. 5-18887 propose a relatively inexpensive high-Mn nonmagnetic steel and a method for producing the same.

【0009】しかし、特公昭59−11661 号公報に記載さ
れた高Mn非磁性鋼は、極低温での透磁率が高く、大型の
粒子加速器用としては問題があった。また、特公平5-18
887号公報に記載された技術では、長時間の時効処理を
必要とし、生産性が低下するという問題があった。
However, the high-Mn nonmagnetic steel described in Japanese Patent Publication No. 59-11661 has high magnetic permeability at extremely low temperatures, and has a problem for use in large particle accelerators. In addition, 5-18
The technique described in Japanese Patent No. 887 has a problem that a long time aging treatment is required and productivity is reduced.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】さらに、粒子加速器用
ビームパイプに適用される管としては、内面美麗、気密
性に優れかつ極低温での極めて低い透磁率と、円周方向
に均一な低透磁率を有する小径管が好ましい。小径管と
しては、鋼板を円筒状に成形して継目部を溶接して造管
する溶接鋼管と、鋼素材を穿孔、圧延して造管する継目
無鋼管とがある。しかし、溶接鋼管では、従来の高Mn非
磁性鋼を使用する限りでは、溶接部の透磁率が母材のそ
れにくらべ高くなりすぎて円周方向に均一な特性が得ら
れず、また高い気密性を安定して得ることが難しいとい
う問題があった。また、継目無鋼管では、従来の高Mn非
磁性鋼を使用する限りでは、熱間加工性が悪く穿孔、熱
間圧延等の造管加工に問題を残していた。
Further, as a tube applied to a beam pipe for a particle accelerator, an inner surface is beautiful, excellent in airtightness, extremely low magnetic permeability at cryogenic temperature, and low uniform permeability in a circumferential direction. Small diameter tubes with magnetic susceptibility are preferred. Examples of the small-diameter pipe include a welded steel pipe in which a steel sheet is formed into a cylindrical shape and a joint is welded to form a pipe, and a seamless steel pipe in which a steel material is drilled and rolled to form a pipe. However, as long as conventional high-Mn non-magnetic steel is used, the magnetic permeability of the welded portion is too high compared to that of the base metal, and uniform properties in the circumferential direction cannot be obtained. Is difficult to obtain in a stable manner. Further, in the seamless steel pipe, as long as a conventional high-Mn nonmagnetic steel is used, the hot workability is poor and a problem remains in pipe forming such as drilling and hot rolling.

【0011】本発明は、上記した従来技術の問題を解決
し、大型の粒子加速器用ビームパイプに好適な、極低温
での透磁率が低く、円周方向に均一な低透磁率を有する
高Mn非磁性鋼継目無鋼管を提案することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and has a low magnetic permeability at cryogenic temperatures and a high Mn having a uniform low magnetic permeability in the circumferential direction, which is suitable for a beam pipe for a large particle accelerator. Aims to propose a non-magnetic steel seamless steel pipe.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を達成するために、まず、大型粒子加速器用ビーム
パイプに必要な特性を調査するとともに、高Mn非磁性鋼
板の極低温における透磁率におよぼす要因について鋭意
研究した。その結果、高Mn非磁性鋼板の極低温における
透磁率は、Mn増量によってオーステナイト相をより一層
安定化させることにより、低くすることが可能となると
いう知見を得た。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present inventors first investigated the characteristics required for a beam pipe for a large particle accelerator, and at the same time, examined the characteristics of a high Mn nonmagnetic steel sheet at extremely low temperatures. The factors that affect the permeability were studied diligently. As a result, it has been found that the magnetic permeability of a high-Mn nonmagnetic steel sheet at an extremely low temperature can be lowered by further stabilizing the austenite phase by increasing the amount of Mn.

【0013】さらに、本発明者らは、上記した知見によ
り製造された鋼素材を、熱間押出しまたはマンネスマン
マンドレル方式あるいはプラグミル方式等の熱間圧延、
あるいはさらに熱間または冷間でサイザー、レデューサ
等により、所定の寸法の継目無鋼管とすることにより、
気密性に優れ、かつ極低温での透磁率が低く、円周方向
に均一な低透磁率を有し、粒子加速器用ビームパイプと
して十分な特性を有する鋼管となることを見いだした。
Further, the present inventors have made the steel material manufactured based on the above-mentioned knowledge hot-extrusion or hot-rolled by a Mannes mandrel method or a plug mill method.
Alternatively, by using a sizer, reducer, or the like, hot or cold, to make a seamless steel pipe of a predetermined size,
It has been found that the steel pipe has excellent airtightness, low permeability at cryogenic temperatures, low uniform permeability in the circumferential direction, and sufficient properties as a beam pipe for a particle accelerator.

【0014】本発明は、上記したような知見に基づき、
さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、
本発明は、質量%で、C:0.05〜0.15%、Mn:26.0〜3
0.0%、Cr:5.0 〜10.0%、N:0.05〜0.15%を含有
し、あるいはさらにNi:0.50〜5.0 %および/またはC
a:0.02%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物
からなる組成を有することを特徴とする極低温用高Mn
非磁性鋼継目無鋼管である。
The present invention has been made based on the above-mentioned findings.
It was completed after further consideration. That is,
In the present invention, C: 0.05 to 0.15%, Mn: 26.0 to 3% by mass%.
0.0%, Cr: 5.0-10.0%, N: 0.05-0.15%, or Ni: 0.50-5.0% and / or C
a: High Mn for cryogenic temperature, characterized by containing 0.02% or less and having a composition consisting of balance Fe and unavoidable impurities.
Non-magnetic steel seamless steel pipe.

【0015】また、本発明は、質量%で、C:0.05〜0.
15%、Mn:26.0〜30.0%、Cr:5.0〜10.0%、N:0.05
〜0.15%、あるいはさらにNi:0.50〜5.0 %および/ま
たはCa:0.02%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不
純物からなる組成を有する継目無鋼管からなる粒子加速
器用ビームパイプである。
In the present invention, C: 0.05 to 0.5% by mass.
15%, Mn: 26.0 to 30.0%, Cr: 5.0 to 10.0%, N: 0.05
It is a beam pipe for a particle accelerator composed of a seamless steel pipe containing about 0.15%, or further, 0.50 to 5.0% of Ni and / or 0.02% or less of Ca, and having a balance of Fe and unavoidable impurities.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】まず、本発明の継目無鋼管の化学
成分の限定理由について説明する。なお、以下、組成に
おける質量%は単に%と記す。 C:0.05〜0.15% Cは、侵入型固溶元素であり、固溶強化により鋼の強度
を上昇させるために有効である。極低温での所望の降伏
応力を得るために、0.05%以上のCの含有を必要とす
る。一方、Cが0.15%を超えると、オーステナイト相が
不安定となり、炭化物が析出し、極低温での透磁率を低
く維持することができなくなるとともに、加工性・溶接
性が劣化する。このため、Cは0.05〜0.15%の範囲に限
定した。なお、Cの好ましい範囲は0.07〜0.13%であ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, the reasons for limiting the chemical components of the seamless steel pipe of the present invention will be described. Hereinafter, mass% in the composition is simply described as%. C: 0.05 to 0.15% C is an interstitial solid solution element and is effective for increasing the strength of steel by solid solution strengthening. To obtain the desired yield stress at cryogenic temperatures, a C content of 0.05% or more is required. On the other hand, if C exceeds 0.15%, the austenite phase becomes unstable, carbides are precipitated, and it becomes impossible to maintain low permeability at extremely low temperatures, and workability and weldability deteriorate. For this reason, C was limited to the range of 0.05 to 0.15%. The preferred range of C is 0.07 to 0.13%.

【0017】N:0.05〜0.15% Nは、Cと同様に侵入型固溶元素であり、オーステナイ
ト相の安定化と低温強度の上昇のためには有益な添加元
素であり、0.05%以上の含有を必要とする。一方、Nが
0.15%を超えると、圧延加工性および溶接性を損なうと
ともに、窒化物や炭窒化物の析出により透磁率を増加さ
せる。このため、Nは0.05〜0.15%の範囲に限定した。
なお、Nの好ましい範囲は0.07〜0.13%である。
N: 0.05 to 0.15% N is an interstitial solid solution element like C, and is a useful additive element for stabilizing the austenite phase and increasing the low-temperature strength. Need. On the other hand, N
If it exceeds 0.15%, the rollability and weldability are impaired, and the magnetic permeability is increased by precipitation of nitrides and carbonitrides. For this reason, N was limited to the range of 0.05 to 0.15%.
The preferred range of N is 0.07 to 0.13%.

【0018】Mn:26.0〜30.0% Mnは、本発明おいて重要な元素で、オーステナイト相を
安定化させ、極低温でも極めて低い透磁率を実現するた
めに有用である。このような効果を得るためには、Mnは
26.0%以上の含有を必要とする。一方、30.0%を超える
と、靱性や溶接性および製造性の低下を招くことから、
Mnは26.0〜30.0%の範囲に限定した。
Mn: 26.0-30.0% Mn is an important element in the present invention and is useful for stabilizing the austenite phase and realizing extremely low magnetic permeability even at extremely low temperatures. To achieve this effect, Mn
Requires a content of 26.0% or more. On the other hand, if it exceeds 30.0%, the toughness, weldability and manufacturability will be reduced.
Mn was limited to the range of 26.0-30.0%.

【0019】Cr:5.0 〜10.0% Crは、固溶強化によって機械的強度の上昇に寄与するほ
か、耐食性の向上に有効に作用する。このような効果は
5.0 %以上の含有で認められるが、10.0%を超えると、
オーステナイト相の安定化を阻害し低温での透磁率の上
昇を招く。このため、Crは5.0 〜10.0%の範囲に限定し
た。なお、本発明で対象とする材料を使用する環境は、
基本的には化学反応の進行が極めて緩慢な極低温・高真
空中であり、腐食性の観点からは劣悪でなく、この程度
のCr含有量で十分な耐食性を確保できる。なお、Crの好
ましい範囲は、6〜8%である。
Cr: 5.0-10.0% Cr not only contributes to an increase in mechanical strength by solid solution strengthening but also effectively acts to improve corrosion resistance. Such an effect
Although it is recognized at a content of 5.0% or more, if it exceeds 10.0%,
It hinders the stabilization of the austenite phase and causes an increase in magnetic permeability at low temperatures. For this reason, Cr is limited to the range of 5.0 to 10.0%. The environment in which the material targeted in the present invention is used is as follows.
Basically, it is in a very low temperature and high vacuum where the progress of the chemical reaction is extremely slow, is not inferior from the viewpoint of corrosiveness, and a sufficient corrosion resistance can be ensured with such a Cr content. Note that a preferable range of Cr is 6 to 8%.

【0020】Ni:0.50〜5.0 % Niは、オーステナイト相の安定化と極低温での靱性向上
に寄与するとともに、耐食性をも向上させる。本発明で
は必要に応じ含有できる。このような効果は少なくとも
0.50%以上の含有で認められるが、Niが高価であること
から、多量の含有は工業的には好ましいことではない。
このため、Niは0.50〜5.0 %の範囲とするのが好まし
い。これにより、本発明の鋼材は、SUS 316LN などの高
Ni系オーステナイトステンレス鋼に比較し、熱膨張係数
のみでなく、価格的にも大きな利点を有することにな
る。
Ni: 0.50 to 5.0% Ni contributes to stabilization of the austenite phase and improvement of toughness at cryogenic temperatures, and also improves corrosion resistance. In the present invention, it can be contained as needed. Such an effect is at least
Although it is recognized at a content of 0.50% or more, a large amount is not industrially preferable because Ni is expensive.
For this reason, Ni is preferably in the range of 0.50 to 5.0%. As a result, the steel material of the present invention can
Compared to Ni-based austenitic stainless steel, it has a great advantage not only in thermal expansion coefficient but also in price.

【0021】Ca:0.02%以下 Caは、不可避的不純物として混入するSの害を抑制し、
熱間加工性を改善する目的で必要に応じ添加できる。な
お、Caの好ましい添加量は、0.004 〜0.01%の範囲内
で、かつCa、S、O各元素の含有量を質量ppm で表示
し、次(1)式 0.8 ×Ca+30>S+O ……(1) を満たすことが熱間加工性の確保のためには有効であ
る。より簡便な判断基準としてCa/S≧2、好ましくは
Ca/S≧3を用いることもできる。
Ca: 0.02% or less Ca suppresses harm of S mixed as an inevitable impurity,
It can be added as needed for the purpose of improving hot workability. The preferable addition amount of Ca is in the range of 0.004 to 0.01%, and the contents of each element of Ca, S, and O are expressed in ppm by mass, and the following equation (1) 0.8 × Ca + 30> S + O (1) It is effective to satisfy the above to ensure hot workability. Ca / S ≧ 2 as a simpler criterion, preferably
Ca / S ≧ 3 can also be used.

【0022】なお、上記した成分以外の残部は、実質的
にはFeおよび不可避的不純物である。不可避的不純物と
しては、S:0.005 %以下、P:0.05%以下、O:0.00
5 %以下が工業的経済性の観点から許容できる。また、
炭化物、窒化物、炭窒化物などの析出物、殊にFe3C、Fe
4N等の強磁性析出物の生成や、例えばSiのようなオース
テナイト相の安定性を損なうような成分の含有は、目的
とする機械的性質などが満足する範囲で少ないことが望
ましい。
The balance other than the above components is substantially Fe and unavoidable impurities. As inevitable impurities, S: 0.005% or less, P: 0.05% or less, O: 0.00
5% or less is acceptable from the viewpoint of industrial economy. Also,
Precipitates such as carbides, nitrides, carbonitrides, especially Fe 3 C, Fe
It is desirable that the generation of ferromagnetic precipitates such as 4 N and the inclusion of components such as Si that impair the stability of the austenite phase are small as long as the desired mechanical properties are satisfied.

【0023】本発明の高Mn非磁性鋼継目無鋼管の製造
方法では、まず、上記した化学組成の溶鋼を、転炉、電
気炉等通常公知の溶製法で溶製し、連続鋳造法あるいは
造塊−分塊法やその他熱間圧延法を適用して鋼管素材と
する。なお、溶鋼の取鍋精錬、真空脱ガス等の2次精錬
を必要に応じ実施してもよいことはいうまでもない。つ
いで、これら鋼管素材を再加熱し、あるいは鋼管素材が
所定以上の温度を有する場合には再加熱することなく、
ピアサによる穿孔と、プラグミル方式、マンドレルミル
方式などの熱間圧延により造管し継目無鋼管とする。
In the method for producing a seamless steel pipe of high Mn nonmagnetic steel according to the present invention, first, molten steel having the above-mentioned chemical composition is melted by a commonly known melting method such as a converter or an electric furnace, and is continuously cast or formed. A lump-bulking method or other hot rolling method is applied to obtain a steel pipe material. It goes without saying that secondary refining, such as ladle refining of molten steel and vacuum degassing, may be performed as necessary. Then, without reheating these steel tube materials, or without reheating if the steel tube material has a predetermined temperature or more,
Pipes are formed by piercing and hot rolling such as a plug mill method and a mandrel mill method to obtain a seamless steel pipe.

【0024】本発明に好適な鋼管素材は、Mnを多量に含
有していることもあり、高温ではMnが酸化されやすいた
め、鋼管素材の加熱温度を過度に高めることは焼き減り
を増やすだけでなく、Mnヒュームの過剰な発生につなが
るので好ましくない。そこで、高温引張試験により、本
発明に好適な鋼管素材の熱間加工性について評価した。
使用したした鋼素材の組成は、質量%で、C:0.12%、
Si:0.05%、Mn:27.9%、P:0.029 %、S:0.002
%、Cr:7.0 %、N:0.10%、Ni:0.15%、Ca:0.006
%である。その結果を図1に示す。図1から、断面収縮
率は1200℃を超えると減少し、熱間脆性の兆候が現れる
ことがわかる。
[0024] The steel pipe material suitable for the present invention may contain a large amount of Mn, and Mn is easily oxidized at a high temperature. Therefore, if the heating temperature of the steel pipe material is excessively increased, only the burnout increases. No, it is not preferable because it leads to excessive generation of Mn fume. Therefore, the hot workability of the steel pipe material suitable for the present invention was evaluated by a high-temperature tensile test.
The composition of the steel material used is, by mass%, C: 0.12%,
Si: 0.05%, Mn: 27.9%, P: 0.029%, S: 0.002
%, Cr: 7.0%, N: 0.10%, Ni: 0.15%, Ca: 0.006
%. The result is shown in FIG. FIG. 1 shows that the cross-sectional shrinkage decreases when the temperature exceeds 1200 ° C., and signs of hot brittleness appear.

【0025】このようなことから、1200℃を超えると、
耳割れ等の発生が懸念される。このため、熱間圧延の圧
延開始温度の上限を1200℃とするのが好ましい。また、
熱間圧延の圧延開始温度が1050℃未満となると、炭化物
の溶解が不十分であり、また、変形抵抗の増大という不
具合が生じる。このため、熱間圧延の圧延開始温度は10
50〜1200℃の範囲とするのが好ましい。なお、より好ま
しくは、1100〜1180℃である。
From the above, when the temperature exceeds 1200 ° C.,
There is a concern that ear cracks may occur. For this reason, it is preferable to set the upper limit of the rolling start temperature of hot rolling to 1200 ° C. Also,
If the rolling start temperature of the hot rolling is lower than 1050 ° C., the dissolution of carbides is insufficient, and a problem such as an increase in deformation resistance occurs. For this reason, the rolling start temperature of hot rolling is 10
The temperature is preferably in the range of 50 to 1200 ° C. The temperature is more preferably 1100 to 1180 ° C.

【0026】また、本発明では、熱間圧延の圧延終了温
度を700 ℃以上に限定するのが好ましい。また、熱間圧
延の圧延終了温度が1000℃を超えると、再結晶による結
晶粒の粗大化という不具合が生じる。このため、熱間圧
延の圧延終了温度は700 〜1000℃の範囲に限定するのが
好ましい。なお、より好ましくは、耳割れ防止の観点か
ら、800 〜950 ℃である。
In the present invention, it is preferable to limit the hot rolling end temperature to 700 ° C. or higher. In addition, when the rolling end temperature of hot rolling exceeds 1000 ° C., there is a problem that crystal grains become coarse due to recrystallization. For this reason, the rolling end temperature of the hot rolling is preferably limited to the range of 700 to 1000 ° C. The temperature is more preferably from 800 to 950 ° C. from the viewpoint of preventing ear cracks.

【0027】熱間圧延により造管された継目無鋼管は、
そのまま、あるいは再加熱を施されて、さらに、サイザ
ー、レデュサー等による熱間、あるいは冷間加工により
所望の寸法の鋼管とされる。熱間加工、あるいは冷間加
工条件はとくに限定する必要はなく、所望の寸法の継目
無鋼管とすることができればよい。なお、熱延のままの
継目無鋼管の焼鈍は、組織の均一化のために実施するの
が好ましく、950 〜1200℃の温度範囲で行うのが望まし
い。焼鈍温度が 950℃未満では、断面収縮率が減少し、
1200℃を超えると脆化とともにスケール生成が過大とな
る。
The seamless steel pipe formed by hot rolling is as follows:
As it is or after reheating, it is further made into a steel pipe of desired dimensions by hot or cold working with a sizer, a reducer or the like. Hot working or cold working conditions do not need to be particularly limited as long as a seamless steel pipe having a desired size can be obtained. The annealing of the hot-rolled seamless steel pipe is preferably performed in order to homogenize the structure, and more preferably in a temperature range of 950 to 1200 ° C. If the annealing temperature is lower than 950 ° C, the cross-sectional shrinkage decreases,
If it exceeds 1200 ° C., embrittlement and scale formation become excessive.

【0028】上記したような加工を施された継目無鋼管
は、最終焼鈍処理を施されるのが好ましい。最終焼鈍処
理は、加工による内部歪の解放、再結晶、析出物の固溶
を主目的として行う。とくに、炭化物、窒化物、炭窒化
物をオーステナイトマトリックス相中に完全に固溶さ
せ、低透磁率の確保に不利な析出相を消失させるための
プロセスである。焼鈍温度は1050〜1200℃とするのが好
ましい。焼鈍温度が、1050℃未満では、析出物の固溶が
不十分であり、一方、1200℃を超えると、連続焼鈍を工
業的に安定して実施できなくなる。なお、好ましい焼鈍
温度は、1050〜1180℃である。また、この焼鈍の保持時
間は、鋼管が上記した温度に10〜120sec保持される時間
とするのが望ましい。
The seamless steel pipe processed as described above is preferably subjected to a final annealing treatment. The final annealing treatment is performed mainly for the purpose of releasing internal strain by processing, recrystallization, and solid solution of precipitates. In particular, this is a process for completely dissolving carbides, nitrides, and carbonitrides in the austenite matrix phase to eliminate a precipitation phase that is disadvantageous for ensuring low magnetic permeability. The annealing temperature is preferably set to 1050 to 1200 ° C. If the annealing temperature is less than 1050 ° C., the solid solution of the precipitates is insufficient, while if it exceeds 1200 ° C., continuous annealing cannot be performed industrially stably. A preferred annealing temperature is 1050 to 1180 ° C. Further, the holding time of this annealing is desirably a time during which the steel pipe is held at the above-mentioned temperature for 10 to 120 seconds.

【0029】さらに、本発明では、上記した範囲の焼鈍
温度に保持されたのち、冷却する。冷却は、炭化物や炭
窒化物の析出を防止する目的で行うものであり、冷却速
度が5〜30℃/sを有する冷却であれば、その冷却手段
はとくに限定されない。焼鈍後は、酸洗等の処理を実施
するのが好ましい。本発明の継目無鋼管は、継目無しで
あることから当然ながら気密性に優れ、しかも当然なが
ら円周方向の透磁率の変化はなく、1.0015以下の低透磁
率を保持することができる。また、4Kにおける透磁率
は、室温とほとんど同じであり、温度による透磁率の変
化は少ない。これは、本発明の継目無鋼管におけるオー
ステナイト相が極めて安定であることによると考えられ
る。
Further, according to the present invention, cooling is performed after the annealing temperature is maintained in the above range. The cooling is performed for the purpose of preventing the precipitation of carbides and carbonitrides, and the cooling means is not particularly limited as long as the cooling rate is 5 to 30 ° C./s. After annealing, it is preferable to perform a treatment such as pickling. The seamless steel pipe of the present invention is naturally excellent in airtightness because it is seamless, and naturally has no change in the magnetic permeability in the circumferential direction, and can maintain a low magnetic permeability of 1.0015 or less. The magnetic permeability at 4K is almost the same as that at room temperature, and there is little change in magnetic permeability due to temperature. This is considered to be due to the extremely stable austenite phase in the seamless steel pipe of the present invention.

【0030】このように、本発明の継目無鋼管は、気密
性、および円周方向に均一な低透磁率を有する鋼管であ
り、粒子加速器用ビームパイプとして好適である。
As described above, the seamless steel pipe of the present invention is a steel pipe having airtightness and low uniform magnetic permeability in the circumferential direction, and is suitable as a beam pipe for a particle accelerator.

【0031】[0031]

【実施例】表1に示す化学組成の溶鋼を転炉で溶製し、
連続鋳造法で鋼管素材とした。これら鋼管素材に、ピア
サによる穿孔と、マンドレルミルによる延伸の熱間圧延
を表2に示す条件で施し、継目無鋼管( 110mmφ×肉厚
2.3mm)とした。ついで、これら鋼管に表2に示す中間
焼鈍(雰囲気:大気中)を施したのち、表2に示す条件
の熱間ストレッチレデュサーで50mmφの鋼管(肉厚 2.0
mm)とし、最終焼鈍処理として1100℃×60sの焼鈍(雰
囲気:大気中)を施し、焼鈍後20℃/sの冷却速度で常
温まで冷却し、その後酸洗処理して製品管とした。
EXAMPLE Molten steel having the chemical composition shown in Table 1 was melted in a converter.
It was made into a steel pipe material by the continuous casting method. These steel pipe materials were subjected to piercing by a piercer and hot rolling of elongation by a mandrel mill under the conditions shown in Table 2 to obtain a seamless steel pipe (110 mmφ x wall thickness).
2.3 mm). Then, these steel pipes were subjected to intermediate annealing (atmosphere: in the air) shown in Table 2 and then subjected to a 50 mmφ steel pipe (thickness 2.0) with a hot stretch reducer under the conditions shown in Table 2.
mm) as a final annealing treatment, annealing was performed at 1100 ° C. × 60 s (atmosphere: in the air), and after the annealing, the product was cooled to a normal temperature at a cooling rate of 20 ° C./s, and then pickled to obtain a product tube.

【0032】[0032]

【表1】 [Table 1]

【0033】[0033]

【表2】 [Table 2]

【0034】これら継目無鋼管から試験片を採取し、
室温および4Kでの引張試験、振動試料型磁気測定装
置を用いた室温および4Kでの透磁率の測定試験を実施
した。また、これら継目無鋼管について、室温〜液体
窒素温度間の平均熱膨張係数の測定試験を実施した。さ
らに、鋼管の気密性試験を実施し鋼管の気密性を評価
した。
Test pieces were collected from these seamless steel pipes,
A tensile test was performed at room temperature and 4K, and a permeability test was performed at room temperature and 4K using a vibration sample type magnetometer. In addition, a measurement test of the average thermal expansion coefficient between room temperature and liquid nitrogen temperature was performed on these seamless steel pipes. Further, an airtightness test of the steel pipe was performed to evaluate the airtightness of the steel pipe.

【0035】なお、鋼管の気密性試験として、Heリーク
試験を行った。気密性は完全の場合○、若干でもリーク
の認められた場合×で評価した。それらの結果を表3に
示す。
A He leak test was performed as an airtightness test of the steel pipe. The airtightness was evaluated as ○ when complete, and x when slight leakage was observed. Table 3 shows the results.

【0036】[0036]

【表3】 [Table 3]

【0037】本発明例はいずれも、極低温における、0.
2 %耐力、引張強さも高い値を示し極低温における優れ
た機械的性質を有している。また、本発明例はいずれ
も、室温はもちろん、4Kにおいても、低い透磁率を示
し、また室温〜液体窒素温度間の熱膨張率も低く、優れ
た極低温における特性を有している。さらに、本発明例
の鋼管は、鋼管の室温〜液体窒素温度間での平均熱膨張
率も低く、さらに鋼管の気密性に優れ高真空度を維持す
ることが可能であり、本発明例の鋼管は、粒子加速器用
ビームパイプとして十分に適用できる。
In each of the examples of the present invention, at a very low temperature, 0.1
The 2% proof stress and tensile strength also show high values and have excellent mechanical properties at cryogenic temperatures. In addition, all of the examples of the present invention show low magnetic permeability at 4K as well as at room temperature, have a low coefficient of thermal expansion between room temperature and liquid nitrogen temperature, and have excellent characteristics at extremely low temperatures. Furthermore, the steel pipe of the example of the present invention has a low average thermal expansion coefficient between room temperature and liquid nitrogen temperature of the steel pipe, furthermore, has excellent airtightness of the steel pipe and can maintain a high degree of vacuum. Can be sufficiently applied as a beam pipe for a particle accelerator.

【0038】これに対し、本発明の範囲を外れる比較例
は、室温〜液体窒素温度間の平均熱膨張係数が大きく、
また極低温での透磁率が高く、粒子加速器用ビームパイ
プとしては適用できないものである。
On the other hand, Comparative Examples outside the range of the present invention have a large average thermal expansion coefficient between room temperature and liquid nitrogen temperature,
In addition, it has a high magnetic permeability at extremely low temperatures and cannot be used as a beam pipe for a particle accelerator.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明によれば、極低温での透磁率が低
く、平均熱膨張係数も低い、大型粒子加速器用ビームパ
イプへ適用できる性能を有している高Mn非磁性鋼継目無
鋼管を工業的に安価に提供でき、産業上格段の効果を奏
する。
According to the present invention, a high-Mn nonmagnetic steel seamless steel pipe having a low magnetic permeability at a very low temperature and a low average thermal expansion coefficient and capable of being applied to a beam pipe for a large particle accelerator. Can be provided industrially at a low cost, and an industrially significant effect is achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】高温引張試験における断面収縮率と加熱温度の
関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a sectional shrinkage rate and a heating temperature in a high-temperature tensile test.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H05H 13/04 H05H 13/04 C (72)発明者 豊岡 高明 愛知県半田市川崎町1丁目1番地 川崎製 鉄株式会社知多製造所内 Fターム(参考) 2G085 BA16 EA01 EA04 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H05H 13/04 H05H 13/04 C (72) Inventor Takaaki Toyooka 1-1-1 Kawasaki-cho, Handa-shi, Aichi Kawasaki 2G085 BA16 EA01 EA04 in Chita Works, Steel Works

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 質量%で、 C:0.05〜0.15%、 Mn:26.0〜30.0%、 Cr:5.0 〜10.0%、 N:0.05〜0.15% を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を
有することを特徴とする極低温用高Mn非磁性鋼継目無
鋼管。
1. A composition containing, by mass%, C: 0.05 to 0.15%, Mn: 26.0 to 30.0%, Cr: 5.0 to 10.0%, and N: 0.05 to 0.15%, the balance being Fe and unavoidable impurities. A high-Mn nonmagnetic steel seamless steel pipe for cryogenic use, characterized by having:
【請求項2】 前記組成に加えて、さらに質量%で、N
i:0.50〜5.0 %を含有することを特徴とする請求項1
に記載の極低温用高Mn非磁性鋼継目無鋼管。
2. In addition to the above composition, N
2. The composition according to claim 1, wherein i: 0.50 to 5.0%.
2. A high Mn nonmagnetic steel seamless steel pipe for cryogenic use according to item 1.
【請求項3】 請求項1または2に記載の継目無鋼管か
らなる粒子加速器用ビームパイプ。
3. A beam pipe for a particle accelerator, comprising the seamless steel pipe according to claim 1 or 2.
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