JPH0253158B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は新規な超電導機器用容器の製造法に係
り、特にオーステナイト系ステンレス鋼からなる
超電導磁石用容器を肉盛溶接によつて製造する製
造法に関する。 〔従来技術〕 従来、4.2Kにさらされる超電導機器の容器と
してオーステナイト系ステンレス鋼が使用されて
おり、その溶接の溶接材料としてJISに規定され
るD308、308L、316、316L系の溶接棒もしくは
溶接ワイヤが適用されている。通常、これらの溶
接材料は溶接後に得られる溶着金属の溶接高温割
れを防止するためにデルタ・フエライトが数％以
上晶出するように成分調整がなされている。 〔従来技術の問題点〕 デルダ・フエライトは強磁性体であるため、非
磁性であることを必要とする超電導磁石容器にと
つては、溶着金属に、デルダ・フエライトが晶出
することは好ましくない。また、デルダ・フエラ
イトは溶着金属の極低温での靭性を低下させる要
因であることを本発明者が見い出した。溶着金属
は靭性の面からもデルダ・フエライトは存在しな
い方が好ましい。上記の理由から、従来の溶着金
属は超電導機器に係る極低温用として満足できな
いものであつた。 〔発明の概要〕 (1) 発明の目的 本発明の目的は、溶接高温割れを生ぜず、か
つ極低温で靭性の高い、超電導機器用容器の製
造法を提供するにある。 (2) 発明の説明 本発明者らは、オーステナイト系ステンレス
鋼よりなる溶着金属の極低温における靭性が溶
着金属中に含有する侵入型元素によつて悪影響
を受けないことを研究によつて確認している
が、酸素は逆に悪影響を及ぼすことを見い出し
た。酸素は鋼中に固溶している量であれば前述
の如く悪影響を及ぼさないが、固溶されないで
酸化物として存在するようになると悪影響を及
ぼすのである。特に、その含有量が0.06重量％
以下のとき極めて優れた靭性を示し、更に溶接
凝固割れを防止するにはＰ＋Ｓ量を0.03以下に
すべきことを見出した。 本発明は超電導コイルを収納し、極低温に保
持される容器を備えた超電導機器用容器の製造
法において、該容器は重量で、C0.01〜0.1％、
Si0.05〜１％、Mi1〜10％、Ni8〜20％及び
Cr16〜22％を含み、残部がFeである全オース
テナイト相を有する母材からなり、該母材を重
量でC0.01〜0.1％、Si0.05〜１％、Mn1〜10％、
Ni8〜20％、Cr16〜22％と、Ti0.01〜0.5％及び
Zr0.01〜0.5％の１種以上と、希土類元素0.01〜
0.5％とを含み、残部がFeである溶接材を用い
てアース溶接によつて突合せ溶接することを特
徴とする超電導機器用容器の製造法にある。 溶接金属中の酸素量及びＰ＋Ｓ量は溶接材中
に酸素との親和力の大きいTi及びZrの１種以
上、又は更にAl、Ｙ、Ca、Mgの１種以上と、
希土元素とを添加することによつて調節するこ
とができる。また、被覆棒においては上記元素
を含むフラツクスを用いることによつて酸素量
及びＰ＋Ｓ量を調節することができる。 溶接金属中の酸素量を0.06％以下にすること
により4.2〓において高い衝撃吸収エネルギー
（以下、吸収エネルギーと称す）をもつ材料が
得られる。この含有量を皆無にすることは不可
能であり、更に0.005％以下にしてもそれ以上
の顕著な効果がないだけでなく、多大の労力を
要するだけで得策でない。より好ましくは0.01
〜0.05％である。 極低温とは、液体酸素（−183℃）、窒素（−
196℃）、ヘリウム（4.2〓）のような−150℃以
下をさす。 本発明においてオーステナイト系ステンレス
鋼からなる母材及び溶接材はともにC0.01〜0.1
％、Si0.05〜１％、Mn1〜10％、Ni8〜20％、
Cr16〜22％を含むもの、又は母材には更に
Mo0.01〜４％及びN0.01〜0.2％の１種以上を
含み、また溶接材には前述の合金元素を含み、
残部Feから成る。 (3) 母材及び溶接材の各成分組成とその好適範囲 Ｃ：オーステナイトを安定化させ、かつ極低温
での強度を得るために0.01％以上とする。
0.1％を越えると極低温での靭性を損うので、
0.01〜0.1％とする。 Si：脱酸元素として0.05％以上の添加により効
果を示すが、１％を越えると溶接高温割れ感
受性を高めるので、0.05〜１％とする。特
に、0.1〜0.6％が好ましい。 Mn：脱酸元素として、また溶接高温割れを抑
える元素として、さらにブローホールの原因
となるＮを固溶するための元素として１％以
上の添加が効果的であるが、10％を越えると
デルタウエライト生成の傾向を高め、極低温
での靭性を低下させるので、１〜10％とす
る。Mnの添加はSiの含有量を少なくするこ
とができるという利点も有する。 Ni：オーステナイトを安定化させ、かつ極低
温での靭性を得るために８％以上とするのが
よいが、20％以上添加してもこのような効果
は飽和するので、８〜20％とする。特に、10
〜18％が好ましい。 Cr：耐食性を高め、極低温での強度を高める
と共にオーステナイトの安定化のために16％
以上とするのが効果的であるが、22％を越え
るとデルダフエライトを生成し、極低温での
靭性を低下させるので、16〜22％とする。 Mo：耐食性を高め、溶接高温割れを抑える作
用がある。従つて、Moの0.01％以上の添加
が有利であるが、４％を越えるとデルダフエ
ライトを生成し極低温での靭性を低下させる
ので、0.01〜４％とする。 Ｎ：オーステナイトを安定化させ、かつ極低温
での強度を得るために0.01％以上含させるこ
とは効果的であるが、0.2％を越えるとブロ
ーホールの生成が著しくなり有害であるの
で、0.01〜0.2％とする。特に、0.04〜以上が
好ましい。 Ｐ、Ｓ：このようなオーステナイト鋼からなる
溶着金属のＰ、Ｓは、溶着金属の凝固の際、
粒界に低融点共晶を生成するため、収縮歪の
作用のもとに割れを生じ、これが溶接高温割
れの原因となることがある。従つて、これら
の含有量は少なくすることが好ましいが、特
にそれらの総和量を0.03％以下とするのが好
ましい。 Ｐ、Ｓ量は少ない方がより好ましいが、
0.005％以下にすることは多大の労力を要す
るだけである。 Al、Ca、MgおよびＹ：溶解中の脱酸反応を活
発にして脱酸効果を高め、極低温での靭性を
高める。従つてこれらの１種以上を総和量で
0.01％以上含有するのが有利であるが、総和
量が0.5％を越えると溶接高温割れを生じや
すくするため、0.01〜0.5％の範囲とする。 Ti及びZr：これらの元素は溶解中の脱酸反応
を活発にして脱酸効果を高め、極低温での靭
性を高める。これらの元素は各々0.01％以上
でないと十分な効果がなく、逆に0.5％を越
えてもより大きな効果は得られない。 希土類元素：これらの元素はＰおよびＳとの親
和力が強いため、ＰおよびＳを固定し、大部
分を溶接時にスラグとして除去することがで
きる。従つて、これらの存在により、溶着金
属中に、溶接高温割れの原因となるＰおよび
Ｓが0.03％を越えて残留するのを防ぎ、溶液
高温割れを抑えるためにこれらの１種以上を
総和量で0.005％以上含有させるのが好まし
い。しかしながら、総和量が0.5％以上越え
ると逆に溶接高温割れを生じやすくなるの
で、溶接材として0.01〜0.5％とする。希土
類元素として、特にLa、Ce、Ndが好まし
い。 (4) 溶着金属の組織 溶着金属中のデルダ・フエライトは4.2〓で
の衝撃吸収エネルギーを著しく低くする。従つ
て、デルダ・フエライトを全く含まない全オー
ステナイト組織とする。溶着金属の組織を全オ
ーステナイト組織にする鋼の組成範囲は、各成
分の重量％で計算されるNi当量（％）＝Nu（重
量％）＋30×Ｃ（重量％）＋20×Ｎ（重量％）と
Cr当量（％）＝Cr（重量％）＋Mo（重量％）＋1.5
×Si（重量％）との関係によつて求められる。
即ち、ｉ当量を−12＋1.33×Cr当量（％）によ
つて求められる値以下にすれば全オーステナイ
ト組織の溶着金属が得られる。 (5) 溶着金属の形成 溶着金属はフラツクスを被覆した被覆溶接棒
を用いて溶液するアーク溶接法、溶加材を用い
て溶接するTIG（タングステン イナートガス
アーク）又はMIG（メタル イナートガス
アーク）溶接法等によつて形成するのが好まし
い。 (6) Ni当量 溶着金属のNi当量は前述の式によつて求め
られる値を17〜22％とすることが好ましい。
Ni当量が17％以上で4.2〓における吸収エネル
ギー顕著に高め、約７Kg−ｍ以上の溶着金属が
得られる。そして、Ni当量が18.5％以上で吸収
エネルギー値が飽和し、それ以上Ni当量を多
くしても顕著な効果が得られないので、22％以
下が好ましい。 〔発明の実施例〕 実施例 １ 第１表に示す成分組成（重量％）の溶接ワイヤ
を用いてSUS304LNの板（25×100×250mm）に
MIG溶接した。第２表に母材の化学組成（重量
％）を示す。残部はFeである。溶接はシールド
ガスとして、アルゴンに２体積％酸素を添加した
ものを用い、電流300A、溶接速度35cm／mmの条
件で、60度のＶ開先に13層による突合せ肉盛溶接
をした。このようにして得られた溶着金属につい
て溶接高温割れ性評価、Ｐ、Ｓ、酸素量の分析、
デルダフエライト量測定、4.2〓における衝撃試
験による吸収エネルギー測定を行なつた。第３表
に本発明ワイヤ及び比較ワイヤの一部についての
溶着金属の化学組成（重量％）を示す。溶着金属
の組成は溶接ワイヤの組成と大きな差はない。

【表】

【表】 しかし、Ｐ＋Ｓ量及び酸素量は溶接ワイヤの成
分によつて著しく影響を受ける。第４表に溶接ワ
イヤのＰ＋Ｓ量及び酸素量（重量％）を示す。

【表】 なお、溶着金属のＰ及びＳの総量及び酸素量は
第５表に示す。溶着金属の化学組成は母材からの
希釈のない表層部について取つたものである。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 第４表と第５表とを比較すると、比較用ワイヤ
における溶着金属のＰ×Ｓ量は溶接ワイヤのＰ＋
Ｓ量とほぼ同じであるが、本発明の溶接ワイヤで
は溶着金属のＰ＋Ｓ量は溶接ワイヤの半分以下に
減少しており、溶接ワイヤ自体高い含有量のＰ＋
Ｓ量でも本発明用ワイヤのように希土類元素を含
むことにより溶着金属中のＰ＋Ｓ量低減効果が大
であり、後述するように溶接割れをなくすことが
できることが明らかである。また、比較用ワイヤ
における接着金属の酸素量はワイヤの酸素量の約
２〜３倍高くなつているが、本発明用ワイヤにお
いては溶接金属の酸素量はいずれも若干減少して
おり、脱酸効果も顕著であることがわかる。 溶接高温割れ性評価は、溶接継手断面を溶接線
の５ケ所から採取し、５断面の各溶着金属内の割
れ数の総和を求めて行つたものである。 デルダ・フエライト量をフエライト×インジケ
ータより測定した。 4.2〓の衝撃吸収エネルギーを第１図に示すよ
うにJIS4号衝撃試験片１を二重ガラス容器２に入
れて測定した。容器内に液体ヘリウム３を満た
し、試験片を容器に入れたまま衝撃試験機にセツ
トして衝撃荷重を加え、その吸収エネルギーを求
めた。 本発明ワイヤによつて得た溶着金属には酸化物
が極くわずかであつた。溶着金属中にデルダ・フ
エライトが存在する場合は、鋼中に対する酸素の
固溶量が高いので吸収エネルギーに大きな影響を
与えないが、全オーステナイト組織では酸素の固
溶量が小さいので、酸素が影響するようになる。 溶液高温割れ性、Ｐ、Ｓおよび酸素量、デル
タ・フエライト量、4.2〓の衝撃吸収エネルギー
の測定結果を第５表に示す。表に明らかなよう
に、比較ワイヤと同程度の高い含有量の酸素、
Ｐ、Ｓ量でも本発明用ワイヤによる溶着金属は酸
素、Ｐ、Ｓ量がきわめて少なくなるため溶接高温
割れが生じない。また、酸素量が少なく、デル
ダ・フエライトの生成もないので、4.2〓の吸収
エネルギー値が約７Kg−ｍである高い値を有す
る。 第２図は溶着金属の酸素量と4.2〓の衝撃試験
における吸収エネルギーとの間係を示す線図であ
る。図に示す如く、Ni当量18〜19％及び13.5〜
16.5％のいずれにおいても酸素含有量が0.06％以
下で吸収エネルギーが急激に上昇、極低温におけ
る靭性の高いことが分る。特に、Ni当量18〜19
％のものは酸素量0.05％以下で約７Kg−ｍ以上の
吸収エネルギーが得られることが分かる。従つ
て、酸素量をより少なくすれば高い吸収エネルギ
ーのものが得られることが分る。図中の記号は第
５表に示す合金の記号を示し、デルダ・フエライ
ト量が４体積％以下のものである。 第３図は溶着金属のNi当量と4.2〓の衝撃試験
における吸収エネルギーとの関係を示す線図であ
る。図に示す如く、Ni当量が17％以上で急激に
吸収エネルギーが向上し、特に酸素量が0.014〜
0.026％では約７Kg−ｍ以上の吸収エネルギーが
得られる。しかし、その吸収エネルギー値はNi
当量18.5％でほぼ飽和することが分る。従つて、
Ni当量を高くしても著しい向上が見られず、22
％以下とすることが適当である。 図中の記号は第１表及び第３表の合金の記号を
示し、また●印は溶着金属の化学組成によつて表
わしたもの及び〇印は溶接ワイヤの組成によつて
プロツトしたものである。また、図はデルタフエ
ライト量が４％以下であるものをプロツトしたも
のである。 第４図は酸素量が0.051〜0.072である溶着金属
のデルダ・フエライト量と4.2〓の衝撃試験にお
ける吸収エネルギーとの関係を示す線図である。
図に示す如く、デルダ・フエライト量が８体積％
以下では吸収エネルギーが急激に高められること
が分る。本発明のワイヤによつて溶接したものは
デルダ・フエライトを含まない全オーステナイト
組織で、最も高い吸収エネルギーを有し、その値
は約７Kg−ｍ以上であつた。デルダ・フエライト
は強磁性を有するもので、前述の如く超電導発電
機用磁石容器などに使用する場合には有害であ
る。図中の記号は第５表に示す合金の記号を示
す。 第５図は溶着金属のNi当量（％）＝Ni（重量％）
＋30×Ｃ（重量％）＋20×Ｎ（重量％）とCr当量
（％）＝Cr（重量％）＋Mo（重量％）＋1.5×Si（重量
％）との関係を示す。図中（）の点線は次式に
よつて求められる。 Ni当量（％）＝−12＋1.33×Cr当量（％） Ni当量をこの関係式によつて求められる値以
上にすることよつてほぼ全オーステナイト組織を
有する溶着金属を得ることができる。 図中、〇印は第１表に示す溶接ワイヤの組成で
求めたNi当量及びCr当量をプロツトしたもので
あり、●印は第３表に示す溶着金属の組成で求め
たNi当量及びCr当量をプロツトしたものである。
図中の記号は第１表、第３表及び第５表に示す合
金の記号を示すものであり、図中の（ ）内の数
字はデルダ・フエライト量（％）を示すものであ
る。 第６図は高温溶接割れ数と溶着金属中のＰ及び
Ｓ量の総量との関係を示す線図である。図に示す
ように、本発明ワイヤによれば高い含有量のＰ＋
Ｓ量であつても溶着金属のＰ＋Ｓ量を約0.03％以
下にすることができ、溶接割れが全く生じない溶
液ができることが分る。図は、デルダ・フエライ
ト量が１％以下のもの、及び本発明の全オーステ
ナイト組織を有するものについてプロツトしたも
のである。図中の記号は第５表に示す合金の記号
を示すものである。 実施例 ２ 第７図は本発明の溶接材を用いて溶接した超電
導発電機用回転子の代表的な構成を示す断面図で
ある。第８図は第７図−線に沿う断面図であ
る。１１は超電導磁石容器、１２は超電導コイ
ル、１３は真空容器、１４は支持部材、１５は外
リング、１６は液体ヘリウム注入管、１７はヘリ
ウムガス取出管、１８は電流リード線、１９は内
リングである。 第９図はこの超電導磁石容器１１の組立説明図
である。この容器１１はアーク溶接による突合せ
溶接によつて形成された溶着金属２１，２１′，
２１″を介して溶着されてなる内リング１９′，外
リング１５′に対し側板２０，２０′を接合して組
立てを行つたものである。実際の磁石容器を模擬
した内リング、外リング及び側板を図に示すよう
に突合せ溶接した。外リング１５′は外径400mm、
長さ２ｍで、その板厚は50mmである。図のｂ及び
ｃはａの両端面に接合される。 第６表は母材の化学組成（重量％）であり、母
材は全オーステナイト組織を有する。

【表】 第７表は用いた被覆溶接棒の化学組成（重量
％）である。本実施例では被覆剤にLa、Ceを主
とする稀土類元素を添加した。

【表】 第８表は被覆アーク溶接における溶接条件を示
すものである。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明に係る溶着金属は極低温にお
ける靭性が高い。しかして、極低温で運転される
超電導磁石容器などに好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は4.2〓での衝撃試験の説明図、第２図
〜第４図は各々溶着金属の酸素量、Ni当量及び
デルタ・フエライト量と4.2〓の吸収エネルギー
との関係を示す線図、第５図はデルタ・フエライ
トの形成に及ぼすNi当量とCr当量の関係を示す
線図、第６図は溶着金属のＰ＋Ｓ量と溶接高温割
れとの関係を示す線図、第７図は超電導発電機用
回転子の断面図、第８図は第７図−線に沿う
断面図及び第９図は超電導磁石容器の組立説明図
である。 １１……超電導磁石容器、１２……超電導コイ
ル、１３……真空容器、１５，１５′……外リン
グ、１９，１９′……内リング、２０，２１′……
側板、２１，２１′，２１″……溶着金属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超電導コイルを収納し、極低温に保持される
   容器を備えた超電導機器用容器の製造法におい
   て、該容器は重量で、C0.01〜0.1％、Si0.05〜１
   ％、Mn1〜10％、Ni8〜20％及びCr16〜22％を含
   み、残部がFeである全オーステナイト相を有す
   る母材からなり、該母材を重量でC0.01〜0.1％、
   Si0.05〜１％、Mn1〜10％、Ni8〜20％、Cr16〜
   22％と、Ti0.01〜0.5％、及びZr0.01〜0.5％の１
   種以上と、希土類元素0.01〜0.5％とを含み、残
   部がFeである溶接材を用いてアーク溶接によつ
   て突合せ溶接することを特徴とする超電導機器用
   容器の製造法。 ２ 前記容器は超電導発電機用回転子の磁石容器
   である特許請求の範囲第１項に記載の超電導機器
   用容器の製造法。 ３ 前記磁石容器は内筒及び外筒からなり、該内
   筒と外筒との間にコイルが収納され、且つ極低温
   冷却剤が収納され、真空容器内に固着されている
   特許請求の範囲第２項に記載の超電導機器用容器
   の製造法。 ４ 超電導コイルを収納し、極低温に保持される
   容器を備えた超電導機器用容器の製造法におい
   て、該容器は重量で、C0.01〜0.1％、Si0.05〜１
   ％、Mn1〜10％、Ni8〜20％及びCr16〜22％を含
   み、残部がFeである全オーステナイト相を有す
   る母材からなり、該母材を重量でC0.01〜0.1％、
   Si0.05〜１％、Mn1〜10％、Ni8〜20％、Cr16〜
   22％と、Ti0.01〜0.5％、及びZr0.01〜0.5％の１
   種以上と、希土類元素0.01〜0.5％及びAl、Mg、
   Ca及びＹの１種以上0.01〜0.5％とを含み、残部
   がFeである溶接材を用いてアーク溶接によつて
   突合せ溶接することを特徴とする超電導機器用容
   器の製造法。 ５ 超電導コイルを収納し、極低温に保持される
   容器を備えた超電導機器用容器の製造法におい
   て、該容器は重量で、C0.01〜0.1％、Si0.05〜１
   ％、Mn1〜10％、Ni8〜20％及びCr16〜22％と、
   Mo0.01〜４％及びN0.01〜0.2％の１種以上とを
   含み、残部がFeである全オーステナイト相を有
   する母材からなり、該母材を重量でC0.01〜0.1
   ％、Si0.05〜１％、Mn1〜10％、Ni8〜20％、
   Cr16〜22％と、Ti0.01〜0.5％及びZr0.01〜0.5％
   の１種以上と、希土類元素0.01〜0.5％及びAl、
   Mg、Ca及びＹの１種以上0.01〜0.5％とを含み、
   残部がFeである溶接材を用いてアーク溶接によ
   つて突合せ溶接することを特徴とする超電導機器
   用容器の製造法。