JPH0765143B2 - 耐再加熱特性に優れた極低温用非磁性オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、溶体化状態で使用される極低温用非磁性オー
ステナイト系ステンレス鋼に関し、詳細には溶体化処理
後に再加熱を受けても強度や靭性等が低下しない極低温
用非磁性オーステナイト系ステンレス鋼に関するもので
ある。

［従来の技術］ 溶体化熱処理は極低温用オーステナイト系ステンレス鋼
の基本的熱処理であり、Cr炭化物あるいはσ相などのぜ
い化相を固溶させることによって機械的性質殊に靭性を
高めるという重要な役割を果たしている。しかるに溶体
化熱処理を施したオーステナイト系ステンレス鋼を用い
て極低温容器等を製作する再には溶接手段等を採用する
ことになるので、その結果溶接部近傍の熱影響部の様な
再加熱を受ける箇所においては溶体化状態からの炭化物
の粒界析出が起こり、耐食性及び低温靭性が劣化する。
従って溶接等の再加熱を受けても特性殊に低温靭性や耐
食性の劣化を起こさない極低温用オーステナイト系ステ
ンレス鋼が要望されている。

一方、最近超電導マグネットを収納する為の構造材料に
対する需要から、非磁性であると共に極低温環境下で高
強度及び高靭性を示すオーステナイト系ステンレス鋼へ
の期待が高まっている。しかるに例えばNb₃Snを超電導
体とする高磁場超電導マグネットの製作に当たっては、
Cu−Snマトリックス中にNb芯を埋込んだ複合体を加工後
熱処理して、マトリックス中のSnとNbを反応させてNb₃S
nの超電導体を形成する訳であるが、こうした熱処理は
複合体を構成材料内に組込んだ後に行なわれることが多
い。しかるにこのときの熱処理温度は通常650〜750℃で
あるので、上記構造材料として極低温用オーステナイト
系ステンレス鋼を使用した場合には炭化物の粒界析出が
非常に発生し易く、極低温条件下では到底使用に耐えな
い。そこで超電導マグネットの構造材料としては、SUS6
60の様な時効硬化型の耐熱ステンレス鋼やNi基耐熱合金
等の所謂超合金を使用するか、あるいはNbやTiを含有す
るSUS321やSUS347に、予め炭素固定の為の安定化処理を
施した後、前記熱処理に付すといった対策が採られてい
る。

しかるに上記超合金の場合は、非常に高価な元素を含む
と共に、特殊な熱処理を必要とするので超合金の価格が
非常に高くなるという問題がある。又鋳造技術の困難さ
から製造可能なインゴットの重量が制限されるという問
題があり、さらに難削材であって加工性に欠けると共に
溶接が容易ではない等、種々の問題がある。一方SUS321
やSUS347に安定化処理を施して使用する場合には、熱処
理コストが加わるのでやはり材料が高くなるという点が
問題になると共に、加工履歴や溶接履歴の異なる材料に
常に最適の安定化処理を施すことは極めて困難であり、
熱処理によって期待する様な特性（低温靭性等）を得る
ことは難しく、さらに強度が一般に低いという問題があ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこうした事情に着目してなされたものであっ
て、高価な特殊成分の添加や事前の特別な熱処理を必要
とせず、しかも600〜800℃程度の再加熱があっても極低
温特性の殆んど劣化しない即ち通常のオーステナイト系
ステンレス鋼と同等以上の耐力・破壊靭性値バランスを
備えた、非磁性の極低温用オーステナイト系ステンレス
鋼を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ しかして上記目的を達成した本発明の極低温用非磁性オ
ーステナイト系ステンレス鋼は、 C:0.05％（重量％の意味、以下同じ）以下 Mn:1〜10％ Si:0.5％以下 P:0.03％以下 S:0.01％以下 Cr:13〜20％ Ni:10〜15％ Nb:0.02〜0.10％ N:0.1〜0.25％ Mo:1.5〜4.5％ B:0.002〜0.006％ 残部:Fe及び不可避不純物 からなる点に第１の要旨が存在し、さらに上記構成に加
えて Ca,Mg,Zr,Ceから選択される１種以上：総和で0.001〜0.
01％ を含有する点に第２の要旨を有するものである。

［作用］ 本発明に係る極低温用オーステナイト系ステンレス鋼の
化学成分とその限定理由について説明する。

Ｃはオーステナイト安定化及び極低温における耐力向上
に有効な元素であるが、再加熱によって粒界炭化物を析
出し極低温下での靭性劣化の原因となるので0.05％以
下、好ましくは0.03％以下に抑えなければならない。尚
再加熱による粒界炭化物の析出は再加熱温度が高くなる
ほど起こり易くなる傾向にあり、再加熱温度が650℃程
度まであるならばＣ量を0.05％以下に抑えれば十分であ
るが、再加熱温度が700℃程度あるいはそれ以上になる
と考えられるときは、Ｃ量は0.03％以下に制限すること
が望ましい。

Mnはオーステナイトを安定化すると共に窒素の固溶限を
増大させる効果があり、また熱間加工性を改善する効果
もあるが、必要以上に添加してもそれ以上効果は上がら
ないので添加量を１〜10％に規定した。

CrはNiと共にオーステナイト系ステンレス鋼を形成する
上で不可欠な成分であるが、本発明の目的と関係では再
加熱時における高温粒界腐食を抑制する効果があり、且
つ常温以下の温度域における耐錆性を高める作用も有し
ている。しかしながら必要以上に添加すると再加熱時に
σ相の析出を招き、靭性劣化を引き起こすので、本発明
ではCr量を13〜20％と規定している。

Niは極低温における延性及び靭性を向上させる効果を有
するが、必要以上に添加しても効果は上がらないので本
発明ではNi量を10〜20％とした。又Niはオーステナイト
を安定化させる上で不可欠な成分であり、その効果はNi
当量として次式で表わすことができる。尚本発明鋼にお
いては再加熱による固溶要素の減少は殆ど無視できる
が、固溶炭素は再加熱によって減少してしまうので、実
質的には下記（１）式の炭素の項が省略されたNi当量の
式が有効となる。

Ni当量＝Ni＋0.5 Mn＋30C＋30N ……（１） 一方冷間における切削や曲げ等の加工によってα′相を
発生させると強磁性体への変化が見られるので超電導マ
グネットの構造材等として使用する場合にはα′相を生
じない様な安定オーステナイトを得る為の条件が必要と
なり、該条件としてNi当量が下記（２）式を満足する様
に成分組成を調整することが望まれる。

Ni当量≧18＋|Cr−18| ……（２） Nbは再加熱時に炭素をNbCの微細析出物として固定し、
またCrをNbCrNの微細析出物として固定する効果があ
り、この結果、粒界脆化の原因となっているCr₂₃C₆の粒
界析出を抑制することができる。しかしながら過剰に添
加すると、析出物の大きさが粗大となり靭性は却って劣
化する。上記理由からNb量は0.02〜0.1％とする必要が
ある。尚本発明におけるNb量限定の理由は、SUS347のよ
うにNb/Cを10以上として炭素を完全固定するというので
はなく、微細に且つ均一にNbCとNbCrNを析出させること
によって、CrとNbを固定しCr₂₃C₆の粒界析出量を抑える
と共に、多少のCr₂₃C₆が存在していても（Nb/Cが10以下
でも）これをNbCやNbCrNの微細析出がカバーし、機械的
特性の低下を招くことがないという知見に基づいてい
る。

Ｎはオーステナイトを安定化させて、極低温における耐
力を著しく向上させる効果があるので本発明においては
高強度を確保する上で重要な成分である。又、再加熱時
には炭素が粒界に拡散してCr₂₃C₆を析出し易いが、窒素
は炭素と同じ侵入型元素であるので炭素と競合してその
拡散を抑制し、Cr₂₃C₆の析出を防止する効果がある。し
かしながら固溶限からいって0.25％以上の添加は困難で
あるのでＮ量は0.1〜0.25％とした。

Moは再加熱時の粒界への不純物の拡散を抑制して粒界脆
化を抑える効果があるが、過剰に添加すると逆にMo化合
物が析出して粒界脆化をひきおこすのでその添加量を1.
5〜4.5％と規定した。尚Mo添加による粒界脆化抑制効果
は再加熱温度が高くなるほど大きくなる傾向にあり、再
加熱温度が700℃程度あるいはそれ以上であればMo添加
量は1.5％以上で十分であるが、再加熱温度が650℃程度
までの場合にはMo添加量を2.5％以上に増加させること
が望ましい。一方Mo化合物の析出は再加熱温度が高くな
るほど起こり易くなるので再加熱温度が700℃程度ある
いはそれ以上になればMo添加量を2.5％以下にとどめて
おくことが望ましく、他方再加熱温度が650℃程度まで
の場合であっても4.5％以下にはとどめる必要がある。

Ｂは粒界に優先的に偏析し易い元素であり、溶体化状態
においてはＢの偏析によって極低温靭性が劣化するが、
長時間の再加熱に対しては炭化物の粒界への析出を防止
する効果を発揮する。上記効果が得るには0.002％以上
の添加が必要であるが、過剰の添加は溶体化状態におけ
る極低温靭性の低下という悪影響が大きくなると共に熱
間加工性も劣化するので0.006％以下に制限する必要が
ある。

Siは製鋼時の脱酸成分として必要であるが、再加熱時に
は靭性劣化を促進させる成分となるので添加量は必要最
小限にとどめる必要がある。こうした理由からSi量は0.
5％以下に抑えなければならない。ＰはSiと同じく再加
熱時の靭性劣化を促進するので少なければ少ない方がよ
い成分であり、本発明では0.03％以下に制限することと
した。

Ｓは硫化物を形成して極低温靭性を低下させると共に再
加熱時の靭性劣化を促進させる成分であり、且つ熱間加
工性も劣化させるので含有量をできるだけ制限すること
が望ましく、こうした理由からＳ量は0.01％以下に抑え
なければならない。

以上の成分組成に加えて、必要によりCa,Mg,Zr,Ceのう
ちから選択される一種以上の元素を総和0.001％以上添
加すると、靭性を一層改善することができる。即ちこれ
らの元素は脱酸作用及び脱硫作用を有し製鋼時に介在物
を除去する効果があるので、清浄化の結果として靭性を
改善する。添加量が0.001％未満では効果がないが、過
剰に添加すると熱間加工性を劣化させるので総量で0.01
％以下にとどめておく必要がある。

［実施例］ 実施例１ 第１表に示す成分組成の鋼を、熱間圧延によって厚さ28
mmの鋼板に加工した後、、1050〜1100℃で溶体化処理を
施した。次いで700℃で75時間再加熱処理した後、−269
℃の温度下で引張試験及び破壊靭性試験を実施して特性
を評価したところ第２表に示す結果が得られた。又破壊
靭性試験片の破面についてその形態を走査型電子顕微鏡
で観察した結果及び透磁率測定結果を第２表に併せて示
した。

第1,2表に示した様に、実施例鋼Ａ〜Ｆは再加熱後も−2
69℃における耐力が1100MPa以上、破壊靭性値が 以上と高い値を示すことが確認された。また破面の透磁
率も良好で加工後にも安定して非磁性を示すことが認め
られた。

これに対し比較例鋼Ｇは、Mo,Bの含まれない例であり引
張特性は良好であるが破壊靭性値は 以下で粒界破壊を示した。比較例鋼ＨはSUS304に近い鋼
であり、比較例鋼ＩはSUS316Lに近い鋼であるが、耐力
が低く且つ破壊靭性値も低い値を示した。比較例鋼Ｊは
SUS347に相当する鋼で耐力は低いが、Nb添加効果が発揮
されて部分的に粒内破面を示しており、破壊靭性値も比
較例鋼H,Iに比べると高い値を示している。しかしなが
らMo,Bを含まず、C,Nbが過剰である等、成分組成が適正
でないので実施例に比べると耐力及び破壊靭性値が劣っ
ており、しかも安定した非磁性状態を示していない。

実施例２ 第３表に示す成分組成の鋼を、実施例１と同様に処理し
て諸特性を測定したところ第４表に示す結果が得られ
た。尚溶体且処理は1100℃で１時間とし、再加熱処理は
650℃で75時間実施した。

第3,4表に示す様に、実施例鋼Ｋ〜Ｐは再加熱後も−269
℃における耐力が1100MPa以上、破壊靭性値が 以上と高い値を示した。650℃で再加熱した鋼は溶体化
だけの鋼（試料ｋ＊３）よりも高い破壊靭性値を示し
た。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、溶体化処理後に再
加熱されることがあっても極低温環境において優れた延
性及び破壊靭性を示すオーステナイト系ステンレス鋼を
得ることができた。しかも高価な成分の添加や再加熱前
に特別な熱処理を施す必要がないので目的とするステン
レス鋼を経済的に得ることができる。かくしてNb₃Sn等
の超電導体生成熱処理にも耐える極低温用非磁性オース
テナイト系ステンレス鋼を経済的に提供することができ
た。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】C:0.05％（重量％の意味、以下同じ）以下 Mn:1〜10％ Si:0.5％以下 P:0.03％以下 S:0.01％以下 Cr:13〜20％ Ni:10〜15％ Nb:0.02〜0.10％ N:0.1〜0.25％ Mo:1.5〜4.5％ B:0.002〜0.006％ 残部:Fe及び不可避不純物 からなることを特徴とする耐再加熱特性に優れた極低温
   用非磁性オーステナイト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】C:0.05％ Mn:1〜10％ Si:0.5％以下 P:0.03以下 S:0.01％以下 Cr:13〜20％ Ni:10〜15％ Nb:0.02〜0.10％ N:0.1〜0.25％ Mo:1.5〜4.5％ B:0.002〜0.006％ Ca,Mg,Zr,Ceから選択される１種以上：総和で0.001〜0.
   01％ 残部:Fe及び不可避不純物 からなることを特徴とする耐再加熱特性に優れた極低温
   用非磁性オーステナイト系ステンレス鋼。