JPH02104633A - 高強度非磁性高マンガン鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶接性、とくに耐溶接割れ性および被削性が
良好なオーステナイト系の高強度非磁性高マンガン鋼に
関するものである。

（従来の技術） 高マンガンオーステナイト鋼は、強靭で耐衝撃性にすぐ
れ、かつ耐摩耗性もすぐれているため、レール・クロッ
シング、クラッシャ用歯板、土砂掘削用具などに用いら
れているが、最近、リニアモータ駆動による磁気浮上方
式の鉄道用ガイドウェイ、核融合反応装置を収容する鉄
筋コンクリート建物で代表されるような強磁場構造用材
料として利用されるにいたった。

強磁場構造材料として要求される性質には、（１１非磁
性（透磁率が小さい）であること、（２）常温付近の温
度における熱膨張係数が普通鋼なみであること、（３）
高強度で耐食性に冨むこと、（４）被削性や溶接性が良
好であることなどが挙げられる。

（発明が解決しようとする課題） 従来、非磁性鋼材として著名であるＳＵＳ　３０４．５
ＵＳ３１６などのオーステナイト系ステンレス鋼は、通
常の炭素鋼にくらべて降伏強度や引張強度が低く、かつ
０〜１００℃間の熱膨張係数が約１７Ｘ１０’／’Ｃと
普通鋼にくらべて約４０％高いうえ、冷間加工を施すと
透磁率が高（なるほか、高価格のため好適とはいえない
。

これに対してＡＳＴＭＡ−１２８規格に定められている
高マンガン鋼は比較的安価であるから好適な非磁性鋼材
であるが、熱間加工性が悪いため、鋳鋼として使用され
ている。しかも、この高マンガン鋼は、溶接性および被
削性が劣っているという問題がある。

本発明者らは、高マンガン鋼の開発経験からこれらの問
題点に対し成分組成について種々検討した結果、Ｐ、Ｏ
含有量を微量化して溶接割れ感受性を軽減し、さらにＣ
ａのみか、ＣａとＲＥＭ（希土類元素）等を加えること
で、熱間加工性を高め、熱間圧延（鍛造）を可能にする
ほか、Ｓ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ％Ｂｉなどの快削元素を加
えることにより溶接性、熱間加工性を損なわずして被削
性を改善し得ることを見い出し、本発明を完成するに至
った。

（課題を解決するための手段） すなわち、本発明の第１の発明の高強度非磁性高マンガ
ン鋼は、Ｃ：１．５％以下、Ｓｉ：３゜０％以下、Ｍｎ
：７〜４０％、Ｎ１　：　１０％以下、■：３％以下、
Ｃａ　：　０．０００５〜０．０５０％、Ｏ：０．０２
０％以下、Ｐ：０．０６％以下、さらにＳ：０．２０％
以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、
Ｔｅ：０．２０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のうち少
なくとも１種と、Ｃｒ：１５％以下、ＭＯ：３％以下、
Ｔｌ：２％以下、Ｎｂ：２％以下、Ｚｒ：２％以下、Ｗ
：２％以下、ＣＯ：４％以下、Ｃｕ：４％以下、Ａ２：
２％以下、Ｎ：０．４％以下のうち少なくとも１種を含
有し、残余が実質的にＦｅからなることを特徴とする耐
溶接割れ性および被削性の優れたものである。

本発明の第２の発明の高強度非磁性高マンガン鋼は、Ｃ
：１．５％以下、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎニア　〜４
０％、Ｎｉ　：　１０％以下、Ｖ：３％以下、Ｃａ　：
　０．０００５〜０．０５０％、Ｏ：０．０２０％以下
、Ｐ：０．０６％以下、さらにＳ：０．２０％以下、Ｐ
ｂ：０．３０％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｔｅ：０
．２０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のうち少なくとも
１種と、Ｃｒ：１５％以下、Ｍｏ：３％以下、Ｔｉ：２
％以下、Ｎｂ：２％以下、Ｚｒ：２％以下、Ｗ：２％以
下、Ｃｏ：４％以下、Ｃｕ：４％以下、ＡＩ２：　　−
２％以下、Ｎ：０．４％以下のうち少なくとも１種と、
ＲＥＭ：０．５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｍｇ：０
．２％以下のうち少なくとも１種を含有し、残余が実質
的にＦｅからなることを特徴とする耐溶接割れ性および
被削性の優れたものである。

つぎに本発明の高強度非磁性高マンガン鋼の合金組成の
各成分についての限定理由について説明する。

Ｃ：１．５％以下 安定なオーステナイト組織、すなわち安定な非磁性とと
もに強靭性を得るために、きわめて有効な元素であるが
、多量に含有すると熱膨張係数が大となるほか、熱間加
工性が劣化し、溶接熱により炭化物が析出して溶接部の
割れ感受性を高めるから１．５％以下に限定した。

Ｓｉ：３．０％以下 高マンガン鋼溶解時の脱酸元素として有効であるほか、
強靭性、湯流れ性を高める作用効果があるが多量に含有
すると熱間加工性および溶接性を害するから３．０％以
下に限定した。

Ｍｎ：７〜４０％ 安定したオーステナイト組織、すなわち安定な非磁性お
よび低膨張特性を得るための必須元素である。このため
少なくとも７％含有する必要がある。Ｍｎ量の増大とと
もにオーステナイト組織が一層安定化し、低透磁率を確
保できるが、４０％を超えるにしたがって通常の溶製お
よび熱間加工が困難となる。この点からＭｎ含有量を７
〜４０％に限定した。

Ｎｉ　：　１０％以下 ＣおよびＭｎと同様にオーステナイト組織を安定化する
ほか、熱間加工性、溶接熱影響部の靭性を向上させ、耐
応力腐食割れ性を改善する作用がある。しかし、多量に
含有させても、前記性質が比例的に増大しなくなるほか
経済的にも高価となるから１０％以下に限定した。

Ｖ：３％以下 高マンガン鋼の結晶粒を微細化して強靭性改善効果が顕
著であるため積極的に含有させるが、多量に含有させる
と熱間加工性を害するほか、溶接した場合粒界に炭化物
を形成して溶接割れを生じ易くするから３％以下に限定
した。

Ｃａ　：　０．０００５〜０．０５０％高マンガン鋼溶
湯の脱酸調整により、たとえばＣａ０−ＡＩ２ｉ　０ｓ
　−３ｉＯｘ三元状態図のゲーレナイト、アノールサイ
ト領域に入るＣａＯ−Ａ１２ｚ　Ｏｓ　−３ｉ　ＯＨ系
酸化物（介在物）として、−Ｃａを残留させることは熱
間加工性および被削性（工具摩耗抑制）の改善に役立つ
から、少なくとも０．０００５％含有させる必要がある
。しかし、多量に含有させることは鋼の清浄度を害する
ほか、強靭性も損なわれるから０．０５０以下に限定す
る。

０：０．０２０％以下、 多量に含有するとシリケートや酸化物系介在物量が多量
に残留して熱間加工性や清浄度を害するほか、溶接割れ
の生成傾向を強めるから０．０２０％以下（好ましくは
０．０１２％以下）にまで微量化することが望ましい。

Ｐ：０．０６％以下 高マンガン鋼中に多量のＰが含まれていると低融点の含
Ｐ共品化合物が生成して溶接熱影響部に割れが生じ易（
なるため０．０６％以下にまで微量化する必要がある。

なお、電子ビーム溶接を行なう場合は０．０４０％以下
にまで微量化しないと溶接金属部にも割れを生ずること
がある。

Ｓ：０．２０％以下、Ｐｂ：０．３０％以下、Ｓｅ：０
．３０％以下、Ｔｅ：０．２０％以下、Ｂｉ：０．３０
％以下 これらの元素はＣａ含有高マンガン鋼の溶接性改善のた
めに含有させるもので、ｐｂ％Ｂｉは被削材と切削工具
との間に潤滑作用を与え、また、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅはＭｎ
と化合物をつくり、応力集中による切削エネルギーの減
少効果をもたらして、工具寿命を延長させる。しかし、
多量に含有すると熱間加工性および強靭性を害するから
、上記範囲に限定した。

Ｃｒ：１５％以下 高マンガン鋼の強度、耐応力腐食割れ性および多部雰囲
気における腐食抵抗性の改善効果が顕著であるが、多量
に含有させると、フェライトを形成し、透磁率を高める
ため１５％以下に限定した。

Ｍｏ　：　３％以下 高マンガン鋼の強靭性、耐応力腐食割れ性の改善効果が
顕著であるが、多量に含有させると、熱間加工性を害す
るほか、溶接した場合粒界に炭化物を生成して溶接割れ
を生じ易くするおそれがあるから、３％以下に限定する
。

Ｔｉ：２％以下、Ｎｂ：２％以下、Ｚｒ：２％以下、Ｗ
：２％以下、Ｃｏ：４％以下、Ｃｕ２４％以下、Ａβ：
２％以下、Ｎ：０．４％以下Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｗ、Ａ
ｌ１の含有は高マンガン鋼の強靭化に有効であるが、多
量に含有させると熱間加工性を害するため、それぞれ２
％以下に限定した。Ｃ０．Ｃｕは耐候性改善に有効であ
るが、多量に含有させることは熱間加工性を害するため
４％以下限定した＠ＮはＭｎ、Ｎｉによるオーステナイ
ト組織の安定化に役立つが、鋳塊の健全性を損なわせる
から０．４％以下に限定した。

ＲＥＭ（希土類元素）：０．５％以下 とくに原子番号５７ないし７１のランタニド元素を高マ
ンガン鋼中に含有させると結晶粒を微細化して強靭性の
改善に有効であり、また熱間加工性を著しく向上させる
作用がある。しかし多量に含有させると粒界脆化の傾向
を強めるから好ましくなく、０．５％以下に限定した。

Ｂ：０．０５％以下 高マンガン鋼にＢを含有させると粒界を強化し、溶接割
れ感受性を鈍化させ、強靭性の向上を助長する作用のほ
か熱間加工性の改善にも顕著な効果がある。しかし多量
に含有させると低融点硼化物が生成し、脆化温度領域が
広くなるから０．０５％以下に限定した。

Ｍｇ：０．２％以下 熱間加工性を改善し溶接割れ感受性を鈍化させる効果が
あるが、多量の添加は粒界脆化を生ずるから０．２％以
下に限定した。

つぎに本発明の高強度非磁性高マンガン鋼の特徴を実施
例にもとづいて詳述する。

（実施例） 第１表に示す化学成分の高マンガン鋼溶湯を真空脱ガス
、または他の脱ガス処理によって鋼中酸素量を微量化し
たのち、ＦｅＳ　Ｌ、低Ａ２・ＣａＳｉ合金脱酸して、
鋼中にＣａ０−ＡＡ□Ｏ！−８ｉＯａ系酸化物が残留す
るように調整した。その後、前記溶湯をもって鋼塊を製
造し、ついで熱間加工を施し、ついで１１００℃、０．
５ｈｒの溶体化処理を行ない、各種試験片を採取した。

（以下、余白。） つぎに前記試験片の０．２％耐力、引張強度、伸び、衝
撃強さ、熱膨張係数（試験片を一１００〜１００℃間の
温度範囲に加熱冷却した場合の平均熱膨張係数）、透磁
率（試験片をＨ＝２００Ｑｅの磁場中に置いた場合）の
測定結果を第２表に示す。

（以下、余白、） 第２表に示されるとおり、高マンガン鋼にＶ。

Ｃｒ％Ｍｏなどを含有させることにより、引張強さが増
大するほか、Ｃ量が低くＭｎ量が高いほど熱膨張係数は
小さ（なり、透磁率も小さく安定な非ｍ性であることが
わかる。

また、前記試験片に対して第３表に示す電子ビーム溶接
試験、切削試験および腐食試験によって溶接性、被削性
および耐食性を測定したところ、第４表に示す結果を得
た。

（以下、余白。） 第４表 第１表および第４表に示すように、Ｐおよび０が微量で
ある第１の発明鋼およびさらにＲＥＭを加えた第２の発
明鋼では、溶接割れは認められなかった。またＣａまた
はＣａとＳ％ｐｂ％Ｓｅ、Ｔｅ、Ｎｂ等を含む本願発明
鋼では、被削性（工具寿命）が著しく延長され、さらに
耐応力腐食割れ性がすぐれていることわかった。

なお、前記記号Ｂで示す比較合金、記号４１で示す本願
発明の鋼の熱間加工性を調べるために、鋼塊より６ｍｍ
径ｘｌ１５ｍｍ長さの試験片を採取して高温高速引張試
験機（グリ−プル）によって、引張速度：２ｉｎ／ｓｅ
ｃ、昇温時間：ｌＯＯｓ　ｅ　ｃ、保持時間：６０ｓｅ
ｃにおける破断時の絞り（％）を測定したところ、第１
図に示すように、ＣａとＲＥＭを含有する本発明の第２
の発明の高マンガン鋼の絞り値は比較合金よりも高い、
つまり熱間加工性がすぐれていることがわかる。

（発明の効果） 以上のとおり、本発明の高強度非磁性高マンガン鋼によ
れば、Ｐ、０の含有量を微量化させることにより熱間加
工性がすぐれ、さらに適量のＣｒ、Ｍ０．■などを含有
させることにより強靭性が増し、かつ適量のＣａまたは
ＣａとＳ、Ｐｂ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉなどを含有すること
で強靭性、耐食性、熱間加工性を損なうことな（被削性
が改善され、溶接割れに対しても安全であり強磁場構造
材料として工業的価値大なるものが得られるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は試験片の熱間加工性の指標値をあられす破断絞
り値と試験温度との関係を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ：１．５％以下、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：
   ７〜４０％、Ｎｉ：１０％以下、Ｖ：３％以下、Ｃａ：
   ０．０００５〜０．０５０％、Ｏ：０．０２０％以下、
   Ｐ：０．０６％以下、さらにＳ：０．２０％以下、Ｐｂ
   ：０．３０％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．
   ２０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のうち少なくとも１
   種と、Ｃｒ：１５％以下、Ｍｏ：３％以下、Ｔｉ：２％
   以下、Ｎｂ：２％以下、Ｚｒ：２％以下、Ｗ：２％以下
   、Ｃｏ：４％以下、Ｃｕ：４％以下、Ａｌ：２％以下、
   Ｎ：０．４％以下のうち少なくとも１種を含有し、残余
   が実質的にＦｅからなることを特徴とする耐溶接割れ性
   および被削性の優れた高強度非磁性高マンガン鋼。
2. （２）Ｃ：１．５％以下、Ｓｉ：３．０％以下、Ｍｎ：
   ７〜４０％、Ｎｉ：１０％以下、Ｖ：３％以下、Ｃａ：
   ０．０００５〜０．０５０％、Ｏ：０．０２０％以下、
   Ｐ：０．０６％以下、さらにＳ：０．２０％以下、Ｐｂ
   ：０．３０％以下、Ｓｅ：０．３０％以下、Ｔｅ：０．
   ２０％以下、Ｂｉ：０．３０％以下のうち少なくとも１
   種と、Ｃｒ：１５％以下、Ｍｏ：３％以下、Ｔｉ：２％
   以下、Ｎｂ：２％以下、Ｚｒ：２％以下、Ｗ：２％以下
   、Ｃｏ：４％以下、Ｃｕ：４％以下、Ａｌ：２％以下、
   Ｎ：０．４％以下のうち少なくとも１種と、ＲＥＭ：０
   ．５％以下、Ｂ：０．０５％以下、Ｍｇ：０．２％以下
   のうち少なくとも１種を含有し、残余が実質的にＦｅか
   らなることを特徴とする耐溶接割れ性および被削性の優
   れた高強度非磁性高マンガン鋼。