JPS645104B2

JPS645104B2 -

Info

Publication number: JPS645104B2
Application number: JP12200183A
Authority: JP
Inventors: Takashi Zaizen; Tooru Sakamoto; Takahiro Nakagawa; Isamu Yamauchi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-07-05
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1989-01-27
Also published as: JPS6013063A

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温度（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ツト等の
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
も相俟つて、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、超電導発電機
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
性があり、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。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、従来より良く知
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添加により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
のが極低温用として、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
は他の鋼種、たとえば高マンガン・オーステナイ
ト鋼などが極低温用材料の有力な候補として脚光
を浴びるようになつて来た。したがつて、77゜K
において700Mpa（メガパスカル）以上の高耐力
とＶノツチシヤルピー試験でのエネルギー吸収値
120J（ジユール）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％、Si：0.8％、
Mn：５％、Cr：22％、Ni13％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量と0.2％
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0.20％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
ス鋼においてはCr量が20％の場合で、Ｎの固溶
限は0.2％、25％で0.3％程度となる。したがつて
77゜Kで700Mpa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％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フエライ
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)非金属介在物が多かつた場合、(3)オーステナイ
トが完全に安定ではなく、δフエライトあるい
は、マルテンサイトが生成された場合、の三条件
の一つ以上が存在する材料についてそれが、固溶
Ｎによるものと誤認したためであることがわかつ
た。したがつて、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あ
り、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フエ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ある。更に本発明者らは、Ｎの溶解度をCr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％、Si：0.8％、Ni：13
％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の溶解度におよぼす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＝0.021（Cr＋0.9Mn）−0.204 …(1) なる実験式で表現できることがわかつた。したが
つてＮの溶解度を0.20％以上にするためには、Cr
＋0.9Mnが19.2％以上、望ましくは20％以上にな
るような合金設計をすれば良いことになり、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
によつてＮの溶解度を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
あつ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％、Si：1.0％以下、
Cr：13％〜25％、Ni：５％〜25％、ならびに
Mn：４％超25％以下で且つCr＋0.9Mn≧20％と
なるように含有し、残部が実質的にFeであり非
金属介在物量が清浄度0.1％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量は多いほど耐力は大きくな
るが、Mn、Crを増量しても、Ｎを0.70％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、
かえつて靭性を劣化させるので、Ｎの上限を0.70
％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、フエライト安定元素であり、１％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％以下とした。 Crは、Mnと共にＮの固溶度を増加させる元素
であり、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％は必要である。
しかしCrはフエライト安定化元素であり、安定
なオーステナイトを維持するためには、Cr量に
見あつてNi量あるいはMn量を増加させねばなら
ないが、Ni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エライト安
定化元素に変つてくるのでそれらの効果を勘案す
るとCr量は25％が限度である。したがつて本発
明鋼のCr量を13％〜25％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を含まない一般
のオーステナイト系ステンレス鋼ほどの多量は必
要としない。本発明者らの試験結果によれば、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、Ni
が25％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、Ni量は５％〜25％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Mn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
％が本発明鋼の上限である。そこで前述の(1)式にＮ＝0.70％を代入するとCr
＋0.9Mn≒43となり、Cr20％の場合Mnはほぼ25
％となる。 Cr量が20％を超えた場合には、Mnはフエライ
ト安定化元素として働くので、Mn量をあまり多
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。また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。したがつてMnの上限を25
％と定めた。一方、Mnは低温で加工を加えた場合に生じる
加工誘起マルテンサイトの生成をさまたげ、オー
ステナイトを安定化するため作用を有する。しか
し、Mn量が４％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％、Ｎ：0.35％、Si：0.8％、Mn：5.2
％、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゜KにおけるＶノツチ
シヤ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（JIS
G055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
つて非金属介在物の清浄度を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Cr―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つて、同表中Ａ、
Ｂ、Ｃは本発明鋼であり77゜K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μが
0.02以下の非磁性を示している。Ｄ鋼、Ｅ鋼、Ｆ
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、しか
もオーステナイトの安定度が不足し透磁率μが大
きくなり非磁性鋼とはいえない。特にＦ鋼はCr
＋0.9Mn量が本発明の範囲より少なく耐力が充分
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り、衝撃エネルギー値が低
い。Ｈ鋼は、Ni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。Ｉ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つ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。

【表】（発明の効果）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、靭性に優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あり、
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溶解度におよ
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
チシヤ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。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量％でＣ：0.05％以下、Ｎ：0.20％〜0.70
％、Si：１％以下、Cr：13％〜25％、Ni：５％
〜25％、ならびにMn：４％超25％以下で且つCr
＋0.9Mn≧20％となるように含有し、残部が実質
的にFeであり、しかも非金属介在物量が清浄度
0.1％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。