JPS6013063A - 極低温構造用オ−ステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

極低温構造用オ−ステナイト系ステンレス鋼

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JPS6013063A
JPS6013063A JP12200183A JP12200183A JPS6013063A JP S6013063 A JPS6013063 A JP S6013063A JP 12200183 A JP12200183 A JP 12200183A JP 12200183 A JP12200183 A JP 12200183A JP S6013063 A JPS6013063 A JP S6013063A
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stainless steel
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steel
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財前 孝
Toru Sakamoto
徹 坂本
Takahiro Nakagawa
中川 恭弘
Isamu Yamauchi
勇 山内
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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) 本発明は極低温構造用オーステナイト系ステンレス鋼に
係り、特に液体ヘリウム温度(4°K)からLNG m
度(111°K)に至る極低温で使用する耐力、靭性共
に優れた安定オーステナイトステンレス鋼に関するもの
である。
(従来技術) 極低温で使用される材料の需要は、 LNGのタンク、
配管、液体水素を燃料とするロケット等の容器、液体ヘ
リウム温度で使用しなければならない超電導磁石用保持
材料等、エネルギーの転換とも相俟って、年々増加の傾
向にあり、近い将来には核融合装置、リニアモータカー
、超電4発を機等に飛躍的需要増加が見込まれる。
極低温で使用される材料の必要特性としては、まず安全
面から使用温度で脆性破壊を起さないことが挙げられ、
ついで高強度、特に高耐力、さらに、超電導磁石用材料
として使用する場合には、非磁性であることが挙げられ
る。
オーステナイト系ステンレス鋼は、極低温に至るまで延
性を保つため、低温用材料としての可能性がIC1従来
からいくつかの用途に用いられている。しかしながら、
オーステナイト系ステンレス鋼は、低温での耐力が低い
という欠点があり、構造用材料としては、強度の点から
充分とは言えないO この低耐力を改善するための、最も効果的な手段として
Nの添加があることは、従来よシ良く知られており、含
窒素オーステナイト系ステンレス鋼として実用に供され
ている。耐力の増加度はN量が多いほど大きく、また温
度が低くなるほど大になるが、N添加によシ低温の靭性
が劣化する欠点があるとされ、せいぜいN量が0.20
%以下のものが極低混用として、SUS 304LN、
SUS 316LNなどの通称で実用化されているに過
ぎない。しかしながらこの程度のN添加量では、極低温
で要求される高耐力は得られないので、最近では池の鋼
種、たとえば高マンガン・オーステナイト鋼などが極低
混用材料の有力な候補として脚光を浴びるようになって
来た。したがって、77°Kにおいて700Mpm(メ
がパスカル)以上の高耐力とVノツチシャルピー試験で
のエネルギー吸収1[1120J(ジュール)以上の高
靭性を有し、しかも完全に非磁性である安定オーステナ
イトステンレス鋼の開発が強く望まれている次第である
ここで、第1図はC:0.02チ、Si:0.8俤、M
n: 5%、Cr:22%、Ni:13%の成分をもっ
オーステナイト系ステンレス鋼におけるN量と0.2チ
耐力との関係を示したものである。同図から明らかなよ
うに、77°Kにおいて700Mpa以上の耐力を得よ
うとするならば少なくとも0.201以上のN添加を必
要とすることがわかる。Nを更に増加することにより、
低温の耐力は更に上昇するが、Nの溶解度に限度があり
、オーステナイト系ステンレス鋼においてj”jCr量
が20チの場合で、Nの固溶限は0.2%、25%で0
.3%程度となる。
したがって77°にで700Mpm以上の耐力を有する
高窒素ステンレス鋼を得ようとするならばCr量は20
チ以上が必要である。このようにNを大量に添加するこ
とにより、極低温用構造材料に必要な耐力が確保できる
ことは公知の事実であるが、Nの添加により低温での靭
性値が急激に低下し、材料が脆化するため、実用に供す
ることは難しいとされて来た。
(発明の目的) 本発明の目的とするところは極低温において耐力及び靭
性に優れ、しかも完全に非磁性である安定オーステナイ
ト系ステンレス鋼を提供しようとするにある。
(発明の構成・作用) 本発明者等は、低温での靭性低下はNそのものによるも
のでなく、介在物、析出物、δフェライト。
マルテンサイト等□の第2相の存在によるものであるこ
とを見出した。すなわち、Nが固溶状態で鋼中に存在す
る場合は低温靭性の劣化がなくN添加ステンレス鋼で低
温靭性が劣化するとされたのは、(1)Nが他の元素と
化合して析出した場合、(2)非金属介在物量が多かっ
た場合、(3)オーステナイトが完全に安定ではなく、
δフェライトあるいは、マルテンサイトが生成された場
合、の三条性の一つ以上が存在する材料についてそれが
、同浴Nによるものと誤認したためであることがわかっ
た。
したがって、上述の(1)〜(3)が生じないような成
分組成のN添加オーステナイト系ステンレス鋼とすれば
強度、耐力共に優れた材料が得られることになる。
ここで先ず、前記条件(1)を生じせしめないためには
、Nが固溶限内にあるように他成分とN量を調整し、し
かも熱処理を慎重に行なう必要がちシ、条件(2)を制
御するためには、非金属介在物量のコントロールを行な
うことが必要条件であり、条件(3)に関しては、δフ
ェライトがもともと存在しないばかりでなく、極低温で
の使用温度において、かなり厳しい加工を加えても、加
工誘起マルテンサイト変態が起らないような、完全なオ
ーステナイト安定度が要求される。そして、そのような
材料はまた完全非磁性であり、超電導磁石用の用途など
には、きわめて有利な材料でちる。
更に本発明者らは、Nの溶解度fCrとMnとの複合添
加により、より一層増加させることに成功した。第2図
はC:0.02”チ、Sl:0.8%、N1:13°チ
の成分をもつオーステナイト系ステンレス鋼におけるN
の溶解度におよばずCrとMnとの影響を示したもので
ある。Cr 、 Mn共にNの溶解度を増加するのに寄
与し、窒素の溶解度はN量0.021(Cr+0.9M
n)−0,204・・・(1)なる実験式で表現できる
ことがわかった。したがってNの溶解度を0.201以
上にするためには、Cr十0.9 Mnが19.2%以
上、望ましくは20チ以上になるような合金設計をすれ
ば良いことになシ、上述のようにCrだけでNの溶解度
をコントロールしなければならない場合と比較してMn
とCrの両者によってNの溶解度全コントロールできる
ため成分選択の巾が広くできると同時に0.5%以上の
Nを添加することも可能となる。
本発明は、以上の知見に基いて得られたものであってそ
の要旨とするところは重量%で、C:0.05%以下、
N:0.20%〜0.70%、sl:1.0チ以下、C
r:13%〜25%、Ni:5%〜25%、ならびにM
n: 4 %超25%以下で且つCr 十0.9 Mn
≧20チとなるように含有し、残部が実質的にFeであ
シ非金属介在物量が清浄度0.1チ以下なること全特徴
とする極低温構造用オーステナイト系ステンレス鋼にあ
る。
以下に本発明について詳細に説明する。
まずCは、オーステナイト安定化元素ではあるがCrと
結合して炭化物を作り易く靭性劣化の原因となるので低
く抑えるべきであり、0.05%以下とした。
次にNは低温での耐力確保のため少くとも0.20%は
必要である。N是は多いほど耐力は大きくなるが、Mn
、Ci−を増量しても、Nを0.70チ超固溶状態で含
むことは難しく、Nが析出物の形で存在しても低温耐力
の増加にはほとんど役に立たず、かえって靭性を劣化さ
せるので、Nの上限’tO,70%とした。
siは製鋼時における脱酸のために必要な元素であるが
、フェライト安定元素であり、1チを超えると安定オー
ステナイト組織が得にくくなるので、1チ以下とした。
Crは、Mnと共にNの固溶度を増加させる元素であシ
、またステンレス鋼としての耐食性を付与する元素でも
あるので、最低13チは必要である。しかしCrはフェ
ライト安定化元素であり、安定なオーステナイ)1維持
するためには、C4に見あってN1量あるいはMn量を
増加させねばならないが、Nlはあまり多くなると極低
温において強磁性を示すおそれがあり%MnはCr量が
多くなるとオーステナイト安定化元素からフェライト安
定化元素に変りてくるのでそれらの効果を勘案するとC
r量は25%が限度である。したがって本発明鋼のCr
量を139b〜25チと定めた。
Niはオーステナイト安定化のために必要な元素であり
Cr量とのバランスで決まるが、NおよびMn(Cr量
が少ない場合)もまたオーステナイト安定化元素である
ためN 、 Mn f含まない一般のオーステナイト系
ステンレス鋼はどの多量は必要としない。本発明者らの
試験結末によれば、低温でも安定なオーステナイトを得
るためには、本発明鋼成分では5%以上のNiが必要で
あり、Nlが25チ超になると極低温において強磁性を
帯びる危険性があるため、N1量は5チ〜25eI6と
した。
MnはCrと共にNの溶解度を増す元素であり、Nが0
.20 %以上固溶状態で存在するためには、前述のよ
うにCr + 0.9Mn≧20%になるようにRh量
を定める必要がある。またNの固溶度には限度があり、
Nの限定理由のところで触れたように0.70チが本発
明鋼の上限である。
そこで前述の(1)式にN=0.70%’!r代入する
とCr + 0.9 Mn中43となシ、Cr 20%
の場合Mnはほぼ25チとなる。
Cr量が20%を超えた場合には、Mnはフェライト安
定化元素として働くので、Mn i fあまり多く添加
することはオーステナイト安定性の意味から避けるべき
である。まだCrが20%以下の場合にはMnを25%
を超えて添加しても窒素の固溶量は0.70%を超えな
い。したがってMnの上限全25チと定めた。
一方、Mnは低温で加工を加&た場合に生じる加工誘起
マルテンサイトの生成全さまたげ、オーステナイト安定
化する作用を有する。しかし、Mn量が4チ以下の場合
にはこの安定化作用が有効ではなく、マルテンサイトが
生成しやすくなり、靭性劣化、透磁率増大の原因となる
ため、Mnの下限量を4%超と定めた。
その他の元素については、介在物、析出物生成の原因と
なるため、できるだけ低く抑えることがのぞましい。
以上の成分により、極低温で高耐力を有し、しかも安定
オーステナイト組織を有する材料を得ることができるも
のであるが、これだけでは靭性に問題があり、極低温に
おいても優れた靭性値を得ようとするならば、非金属介
在物量、析出物量をコントロールすることが必要である
。第3図はC:0.02チー N : 0.35 To
 −81: 0.8 % m Mn:5.2%e Cr
: 21.0 % 、Ni: 11.5 %の成分を持
つ鋼において、非金属介在物量と77°KKおけるVノ
ツチシャルピー衝撃吸収エネルギー値との関係を示すも
のである。同図から明らかなように、非金属介在物量は
衝撃吸収エネルギー値と大きな相関を有し、極低温でも
充分な靭性値を得ようとするためには、非金属介在物の
清浄度を0.1%以下(JISGO55鋼の非金属介在
物の顕微鏡試験方法による)に抑えなければならない。
すなわち、清浄度が0.1%を超えると77°Kにおけ
る衝撃吸収エネルギー値が120Jに達しないと云う不
都合が生じる。よって非金属介在物の清浄度f:0.1
%以下に限定したものである。
(実施例) 次に本発明の効果を実施例についてさらに具体的に述べ
る。
第1表はOr −Ni−Mnオーステナイト鋼の77°
Kにおける特性を示すものであって、同表中A = B
 eCは本発明鋼であり770Kにおける0、2%耐力
、衝撃エネルギー値にすぐれ、しかも透磁率μit1.
02以下の非磁性を示している。D鋼、E鋼。
E鋼はCr+Mn、Niの含有量が本発明の範囲内にあ
るがN量が少ないもので耐力が非常に低く、し力≧もオ
ーステナイトの安定度が不足し透磁率μi=大きくな9
非磁性鋼とはいえない。特にE鋼はCr + 0.9 
Mn量が本発明の範囲より少なく耐力力五充分ではない
。G鋼は、Cが本発明の範囲を超えているため析出物が
多くなシ、衝撃エネルギー[−AS低い。E鋼は、N1
が本発明の範囲より低いため、オーステナイトが安定化
せず透磁率μが1.5以上となり、しかも清浄度が悪い
ため衝撃エネルギー値も低い。■鋼はCr量が本発明鋼
の範囲を超えているため、オーステナイトが安定化せず
透磁率μが大きく、非磁性とならず、J鋼は化学成分的
には本発明の範囲内に入りているが清浄度が悪いため衝
撃エネルギー値が非常に劣る。
(発明の効!J) 以上の説明から明らかなごとく本発明は、極低温に於い
て耐力、靭性に後れた非磁性の安定オーステナイトステ
ンレス鋼を提供するものでおり、産業上稗益するところ
がきわめて顕著である。
【図面の簡単な説明】
第1図はオーステナイト系ステンレス鋼の耐力におよぼ
すN量の効果を示す図、第2図はオーステナイト系ステ
ンレス鋼中の窒素の宕解度におよぼすCr、Mnの影響
を示す図、第3図はMn添加安定オーステナイトステン
レス鋼におけるVノツチシャルピー衝撃吸収エネルギー
値と非金属介在物との関係を示す図である。 〜R’41− Cr (%) 脇 3 図 θ・l θ、2 θ、3 涜浄&(%)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 重量%でC:0.05チ以下、N:0.20チ〜0.7
    0%、Sl:1%以下、Cr:13%〜25%、N1:
    5%〜25チ、ならびにMn:4%超25チ以下で且つ
    CF+0.9Mn≧20チとなるように含有し、残部が
    実質的にF・であり、しかも非金属介在物量が清浄度0
    .1チ以下なることを特徴とする極低温構造用オーステ
    ナイト系ステンレス鋼。
JP12200183A 1983-07-05 1983-07-05 極低温構造用オ−ステナイト系ステンレス鋼 Granted JPS6013063A (ja)

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