JPS59104455A - 耐錆性の優れた極低温用強靭鋼 - 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】 本発明は湿潤環境における耐錆性が優れ、２５に以下の
極低温で１１００　ＭＰａ以上の耐力と、５０５以上の
シャルピー吸収エネルギーを有する極低温用強靭鋼に関
するものである。

近年超電導電磁石を使用した核融合実旅炉、粒子加速器
、磁気浮上鉄道などが日本あるいは欧米各国で建設され
近い将来には実用化されようとしている。これらの設備
の内、特に超電導電磁石あるいは超電導体の保持材ある
いはその周辺の４４造材はこれらの超電導体が液化ヘリ
ウムにより４．２に付近の閘低渦に冷却されるため、必
然的（（同温度まで冷却され、同時に磁石容量の巨大化
に伴なう電磁力の増大によシ従来では予測し得なかった
高い応力下で使用されようとしている。したがってかか
る構造材には、これらの使用条件に耐え得るため４．２
に付近の極低温において高い強度と良好な靭性を有する
ことが要求されている。さらにかかる構造材は断熱構造
部材の一部として鉄面に金属光沢を付与した後、真空に
接して使用される場合があシ、その表向は高真空を維持
するため、金属光沢を保つことが要求される。したがっ
てかかる揚台には大気中の曝露、あるいは装置の真空度
の劣化により大気が侵入した場合の結露、結氷などによ
シ金属光沢面が発錆しないこと、すなわち耐錆性も重要
々特性となる。またその他の場合でもその用途上、耐錆
性は無視し得ない特性の一つに数えられている。

現在かかる要求に対し低温強度向上のため５ＵＳ３０４
ＬＮや３１６ＬＮ々ど通常よシもＮ含有量を多くしたＮ
ｉ　−Ｃｒ系のオーステナイト系ステンレス鋼が使用さ
れている。これらの鋼は耐錆性は・ゑめて優れている反
面、４．２に付近の極低温でオーステナイト組織が不安
定となって靭性が低下する欠点を有し、強度も近年の高
強度化の要求に対して必らずしも十分とは云えず、また
Ｎｉ含有量が多いため高価である。一方最近では多量の
Ｍｎを含有した高Ｍｎオーステナイト鋼が低温構造用鋼
として開発されているが、これは一様に上述した耐錆性
が無く強度も不十分であり、さらに切削、穿孔などの機
械加工が著るしく困難であるという欠点を有している。

現状ではこれらの鋼はいずれも４．２に付近の温度では
本発明の目的とする高強度と高靭性を得ることは一般に
困難であるとされている。

本発明はかかる既存鋼の欠点を排除し、大気曝露時ある
いは結露時に発錆せず、さらに４．２に付近の極低温に
おいて１１００　ＭＰａ以上の耐力と良好な靭性を有し
、加工性も設れた極低温用強靭鋼を安価に供することを
目的とするものである。その要旨は、ＣＯ，０１〜０．
２０裂（重量％、以下同じ）、Ｓｉ０．０５〜１．５％
、Ｍｎ　１６〜２７　％、Ｃｒ１０〜２０係、Ｃｕ　０
．１〜４％、ＮＯ，１０〜０．５０％、１０．００３〜
０．２０饅を含有し、あるいは必要に応じてＮｉＯ，］
〜４条、Ｍｏ　０．１〜４擾のうちｉ４重まだは２種、
Ｎｂ　、　Ｔｉ　、　Ｖのうち１イ重または２棟以上を
総理で０．０　’０５〜１．５チ含有し、残部が鉄およ
び不可避不純物から成ることを特徴とする耐錆性が優れ
、２５に以下で１１００　ＭＰａ以上の耐力と５０Ｊ以
上のシャルピー吸収エネルギー含有する極低温用強靭鋼
である。

まず本発明における銅成分の効果と限定理由について述
べるが、ここに述べる機械的性質は２５に以下の匝低温
における性質とする。

Ｃは本発明鋼のように多量のＭｎとＣｒを含有する鋼で
はきわめて有効なオーステナイト安定化元素であり、オ
ーステナイトの安定化によｐ２５に以下の極低温におけ
る靭性を向上させ、さらに引張強さを高める効果を有す
る。しかしＣが０．０１チ未満では靭性向上に必要な量
のオーステナイトが得られない。−万〇が０．２　％を
超えると加工性が著るしく悪化し、さらに溶接時、ある
いは応力除去焼鈍時などに６００〜８００℃に加熱され
た部分にＣｒ炭化物が析出して耐錆性を劣化させ靭性も
低下させる。したがってＣ量は０．０１〜０．２０チと
した。

Ｓｉは溶６ｉ”８の脱酸のためおよび強度上昇のために
必要であるが０．０５　％未満では効果が不十分とな、
！ｌ）１．５係を超えるとオーステナイトを不安定化し
て靭性を低下させるため、０．０５〜１５チと−したＯ Ｍｎは本発明鋼のようにＣｒをｌＯ〜２０裂含有する鋼
のオーステナイト相を安定化して極低温における強度と
靭性を向上させるが、１６チ未満では十分な量のオース
テナイトが得られず、またＭｎ緻の増加と共に強度、゛
駕性は向上するが、２７係を超えると効果が飽和し、鋼
の溶製も困難となるため１６〜２７％とした。

Ｃｒは耐錆性を付与すると共にオーステナイトを安定化
する効果を有するが、１０％未満では十分な耐錆性が得
られず大気曝露で発錆することが避けられない。丑だ２
０俸を超えるとフェライト相を生成して靭性を安定させ
るに十分な量のオーステナイトが得られないため、１０
〜２０係とした。

ＣｕはＭｎと同じくオーステナイトを安定化させ、本発
明鋼のような低Ｃ高Ｍｎ高Ｃｒオーステナイト鋼では少
量の含有量で強度と靭性を著しく高める効果を有し、さ
らに耐錆性も向上させるだめ本発明鋼では必須成分であ
るが０．１チ未満では顕著な効果が得られず、また４チ
を超えると熱間圧延時に割れを生ずるため０．１〜４チ
とした。

Ｎはオーステナイトを安定化させると共（Ｃ極低温にお
いて強度、特に耐力の上昇に著るしい効果を有する。特
に本発明鋼ではＮの溶解度を増大させる作用のあるＭｎ
、１！：　Ｃｒを多量に含有するためＮ溶解度を減少さ
せる作用を有するＮｉを多量に含むＣｒ−Ｎｉ系オース
テナイトステンレス鋼にくらべて少量のＮで高強度を得
ることが可能で高強度化にはきわめて有利である。さら
に本発明鋼のような低Ｃ高Ｍｎ高Ｃｒ鋼の耐錆性の向上
にもＮは顕著な効果を有する。本発明鋼では４．２Ｋに
おける目標下限の耐力を１１００Δ／ＩＰａとしている
が、Ｎが０．１０％未満では１１００　ＭＰａの耐力が
得られず、また十分な耐錆性も得られない。Ｎ量の増加
　　　・とともに強度は上昇し、耐錆性も向上するが、
Ｎが０．５係を超えると靭性が低下し、鋼の溶製あるい
は溶接が困難となるため、Ｎの範囲は０．１０〜０．５
０係に限定した。

Ａ７は溶鋼を脱酸し、Ｍｎ　−Ｃｒ系オーステナイト鋼
の熱間加工性を向上させまだオーステナイト結晶粒を微
細化して強度を上昇させるために用いられるが、０．０
０３１未満では脱酸効果が不足し、一方０．２０条を超
えると靭性を低下させるため、０、　ＯＯ３〜０２０チ
とした。

本発明鋼ではさらに必要に応じてＮｉ　、　Ｍｏ　−、
Ｎｂ　。

Ｔｉ、Ｖを含有させることが出来るが、まずＮｉとＭＯ
ハオーステナイトのα′フマルンサイトへの変態を阻止
し強度と靭性を向上させる効果を有し、浴製上問題とな
るＭｎ量、Ｎ肘を減少させ得るが、０、１　％未イ１ｈ
では顕著な効果が認められない。一方４％を超えた場合
、Ｎｉは耐錆性を劣化させ、ＭＯは靭性向上効果が飽和
する。そのためＮｉ　、　Ｍｏはそれぞれ０１〜４裂に
限定した。なおＮｉは、発錆し易い環境において本発明
鋼を使用する場合には添加を避けた方がよい。

Ｎｂ　、　’ｐｉ　、　Ｖは析出硬化および結晶粒微細
化によシ強度を上昇させる効果を有する。しかしこれら
の元素は総量で０．　ＯＯＳ係未満では十分な強度上昇
効果が得られず、またａ　ｋで１．５係を超えると靭性
が低下するため、総量でｏ、　ｏ　Ｏ５〜１．５係とし
た。

耐錆性は、試；倹片の表面（５０″ｌｌｌｌＸ２００”
）を寺３２０エメリー・・紙で研磨して金属光沢を与え
た後、６０日間の屋外曝露、および３０日間の空気飽和
水中浸漬を行ない、錆発生部の面積率で判定した。本発
明鋼では錆発生面積率が１０係以下の場合に十分な耐錆
性を有するとしているが、まったく錆を発生させないた
めには（錆発生面積率を０チとするには）Ｃ量を０．１
２係以下、Ｃｒ量を１３俸以上、Ｎｉを２多以下とする
必要がある。

極低温として、２５に以下の温度を用いているが、これ
は現在の間近導電磁石がほとんどの場合液化ヘリウム（
４，２Ｋ）で冷却されており、また試、倹の便宜上冷媒
として液化ヘリウムを用いたためである。実際の使用温
度としては、超流動液化ヘリウムの温度（２，１Ｋ）か
ら液化水素の温度（２０，４Ｋ）までを対象としている
。２５に以下の温度で強度として１１００　ＭＰａ以上
の耐力（０，２％永久伸び時）を有する。これは前述し
た設備の使用応力が最大で約１０００　ＭＰａとなるた
めであり実用上は１２００　ＭＰａ以上の耐力を付与す
ることが望ましい。このためには常温において３３０　
ＭＰａ以上の耐力を有する必要がある。同じくこれらの
設備では靭性として４．２にで５０Ｊ以上のシャルピー
吸収エネルギー（ＪＩ８４号試験片による）が必要とさ
れておシ、本発明鋼でも５゜５以上の吸収エネルギーを
良好としているが、望ましく（は８０’Ｊ以上あること
が良い。

従来かかる用途に用いられる構造用鋼は、強磁場で用い
られるため、非磁性であることが要求され、従って４．
２に付近の使用温度で完全にオーステナイトであること
が必要であった。しかし、本発明鋼では４，２に付近【
おいて完全に非磁性であることは必らずしも必要とする
ものではなく、耐錆性と４゜２Ｋにおいて１１００　Ｍ
Ｐａ以上の耐力と、５０Ｊ以上のシャルピー吸収エネル
ギーを有するならばオーステナイト相の他に強磁性のフ
ェライト相が存在することを妨げるものではない。その
ためにはオーステナイト相は８０％以上存在すればよく
、この限度内で合金元素の増減、取捨選択を行ない得る
。もちろん４．２Ｋにおいて完全なオーステナイト鋼と
することは可能であってこの場合にはＣｒは１０〜１８
％、Ｍｎは２０〜２７％、Ｎは０．２７〜０．４％、Ｃ
ｕは０．５−２　％とすることが望ましい。

本発明鋼は、たとえば次に述べる工程に従って製造され
る。すなわち転炉あるいは電気炉などの溶解炉を用い、
さらに必要によっては真空脱ガス法、取鍋精錬法、再溶
解法などを用いて精錬すること（でよって所定成分の溶
鋼を得、これを鋼塊とした後、１１００〜１２５０℃に
加熱して分塊圧延することによシ、あるいは連続鋳造す
ることによって鋼片とする。この鋼片を通常の方法によ
って１１００〜１２５０℃に再加熱した後、あるいは１
１４片製造直後に圧延あるいは鍛造等の加工を行なって
所定形状の製品とする。

本発明鋼は圧延ままで使用してもよいが、耐錆性、靭性
を安定させるには９００〜１１５０℃に加熱して固溶化
処理することが望ましい。

なお本発明鋼の熱間加工Ｉ生を向上させるために０．０
０１〜０．０２％のＣａを添加してもよく、一方不純物
元素であるＰは０．０３％以下、Ｓは０．０１チ以下と
することが望ましい。本発明鋼はさらに通常の方法で冷
間圧延を行なった後、９００〜１１００℃に加熱して暁
なましを行ない、薄板とすることが出来る。すなわち、
本発明の鏑は、通常の、、４　ｊＵＩＵ品の製造工程に
従って通常の鋼製品と同一の形状とすることが可能であ
シ、また切削曲げ等の加工、溶接も問題なく行い得る。

溶接性向上のためには不純物元素であるＰを０．０３　
Ｌｆｂ以下、Ｓを０．０１係以下とすることが望ましい
。

次に本発明鋼の実施例について説明する。

表１は本発明飼および比較鋼の化学成分を示す。

表２は表１に示した鋼で製造した厚板（板厚−１６ｍｍ
、１１．００℃で固溶化抜水焼入れした）の４．２Ｋに
おける機械的性質を示す。表１、表２において（醐１か
ら１２までは本発明ぐＡであシ、多、ｊ、ｌ１３から１
６までは比較鋼であって、ｊｉ司１３はＳＵＳ　３０４
ＬＮＸｉｌｌ　４ｉｄＳＵＳ　３１６Ｎ、、　ｇｉｌｌ
　５はＳＵＳ　３０４　ＮにＭｎ　、　Ｃｕ　＋　Ｍｏ
を添加した鏑、値１６はａ膨張率の低い低温用鋼として
開発された低Ｃ−２５％Ｍｎ鋼である。本発明鋼は全て
目標とする耐力とシャルピー吸収エネルギーを両足して
おり特に詞１〜４．７〜９．１１は１２００ＭＰ　ａを
越える耐力と１００５を越える吸収エネルギーを有し、
いずれも優れた強度と靭性の・ぐランスを示している。

また本発明鋼は同解化処理によシ完全に非磁性であり、
透磁率は１００５以下であった（　ＡＳＴＭ　Ａ　３４
２　６４による測定）。さらに本発明鋼は固溶化状態で
は全く錆を発生しなかった。７００℃で２０時間の加熱
を行なった状態では≦１．１７、ｆｉｆｌＩＯにわずか
の錆を発生したがその面積率は５％以下であり、その他
の本発明鋼には全く錆を生じなかった。これは主として
鋼７および１０のＣｊｔが比較的多めことによる。

比較前１３　、１４　、１５は強度上昇のためＮを添加
し７’ｊＮｉ−Ｃｒオーステナイト系ステンレス鋼で鋼
１４　、１５にはさらに１Ｖｉｙｌ　＋　Ｃｕ　ｒ　Ｍ
Ｏ等の合金元素が添加されたものである。これらの鋼は
靭性においては５０Ｊを越えているが、耐力は１１００
ＭＰａ以下であって、強度と靭性の・ぐランスにおいて
本発明鋼におよばない。’ｍ４１６は本発明鋼に類似し
た高Ｍｎ鋼であるがＣ４とＮ量が少ないだめ十分な耐力
が得られず、また耐精性試ｊ倹では試埃片全面に錆を発
生し耐錆性は全く認められ々い。

以上に明らかにしたように本発明鋼は従来の高Ｍｎ　ｉ
ｌｌ’＋の強度を上屏さ亡ると共に射精性をも付与した
ものであってＮｉ　、　Ｃｒ　散の多いオーステナイト
系ステンレス１（劇と同等の耐錆性に加えて、極低温に
おいてステンレス：瀾よシも陵れた強度と靭性を具（！
ｉｆｉ　しておシ、これをステンレス鋼よりも安価に供
給し得る点において産膚上神益するところが極めて犬で
ある。

表２　本発明鋼および比較鋼の４．２Ｋにおける俵械的
性￥１（１１００℃固浴化処理）手続補正告：（自発） 昭和５８年２月１８０ 特許庁長官若　杉　和　夫　殿 ■、　　事１牛の表汀く 昭和５７年′＃許願第２１１４００号 ２、　発明の名称 耐錆性の優れた極低温用強靭鋼 ３、　　Ｉ’１１ｉ１１−をする者 事件との関係　勃′許出願人 東京都千代１１１区大手町二］丁）６番３ラー（（３６
５）新＋１本製鐵株式會社　ほか１名代表者　武　　１
）　　　豊 ４代理人〒１００ 東京都千代田区丸の内二丁１１４番１υ・６　補正の対
象 明細書の発明の詳細な説明の榴

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　Ｃ０，０１〜０．２０　ｗｔ％、Ｓｉ０．０
   ５〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ　１６〜２７　ｗｔ％、０１１
   ０〜２０ｗｔ％、Ｃｕ　０．１〜４　ｗｔ　％、Ｎ　Ｏ
   ，１０＝　０．５０　ｗｔ　％、ＡｔＯ，００３〜０．
   ２０　ｗｔ％を含有し、残部が鉄および止むを得ざる不
   純物から成ることを特徴とする耐錆性の滑れた′頂低温
   用強靭鋼。 Ｃ２）　　ＣＯ，０１−０，２０ｗｔ％、ＳｉＯ，０５
   〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ　１６〜２７　ｗｔ　％、Ｃｒ　
   １０〜２０　ｗｔ％、Ｃｕ　Ｏ，１〜４　ｗｔ　％、Ｎ
   　Ｏ，１０□　０．５０　ｗｔ　％、ＡｔＯ，００３〜
   ０．２０　ｗｔ％を含有し、さらにＮｉ　０．１〜４ｗ
   ｔ％、、　Ｍｏ　０．１〜４　ｗｔ％のうち１種または
   ２種を含有し残部が鉄および止むを得ざる不純物から成
   ることを特徴とする錆性の優れた極低温用強靭鋼。 （３）　　Ｃ０，０１〜０．２０　ｗｔ％、Ｓｉ０．０
   ５〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ　１６〜２７　ｗｔ％、Ｃｒ　
   １０〜２０　ｗｔ％、Ｃｕ　０．１〜４　ｗｔ　　％、
   Ｎ　Ｏ，１０〜０．５　０　ｗｔ　％、　ＡｔＯ，ＯＯ
   ３〜０．２０　ｗｔ　％を含有し、さら［Ｎｌ）、Ｖ。 Ｔｉのうち１植または２種以上を総計で０゜００５〜１
   、５　ｗｔ　％含有し、残部が鉄および止むを得ざる不
   純物から成ることを特徴とする耐錆性の優れた極低温用
   強靭ｚ４゜ （４）　　ＣＯ，０１〜０．２０　ｗｔ　％、Ｓｉ０．
   ０５〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ　１６〜２７　ｗｔ　％、Ｃ
   ｒ　１０〜２０　ｗｔ％、Ｃｕ　０．１〜４　ｗｔ　％
   、Ｎ　Ｏ，１０〜０．５０　ｗｔ　％、ｈｔＯ，００３
   〜０．２０ｗｔ　％を含有し、さらにＮｉ０．１〜４　
   ｗｔ　％、Ｍｏ　０．１〜４　ｗｔ％のうち１陣またば
   ２イ康を含有し、さらにＮｂ　、　Ｖ　、　Ｔｉのうち
   １種または２種以上を総量で０．００５〜１．５　ｗｔ
   係金含有、残部が鉄および不可避的不純物から成ること
   を特徴とする耐錆性の優れた極低温用強靭鋼。