JPH0359971B2

JPH0359971B2 -

Info

Publication number: JPH0359971B2
Application number: JP59172684A
Authority: JP
Inventors: Tooru Sakamoto; Takahiro Nakagawa; Katsumi Suzuki; Isamu Yamauchi; Susumu Shimamoto; Hideo Nakajima
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-08-20
Filing date: 1984-08-20
Publication date: 1991-09-12
Also published as: US4675156A; JPS6152351A

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〓）か
らLNG温度（111〓）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系ステン
レス鋼に関するものである。（従来の技術）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
い超電導磁石用構造材料等、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、超電導等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いえ
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、SUS304LN，
SUS316LNなどの名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、４〓において1000Mpa（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100J（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系
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：0.5％、Cr：25％、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、４〓において1000Mpa以上
の耐力を得ようとするならば少なくとも0.234％
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４〓で1000Mpa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。なおＮを高めに添加したオーステナイト系ステ
ンレス鋼については先に特公昭54−24364号公報
によつて提案された0.001〜0.20％、Si0.1〜6.0％、
Mn0.1〜10.0％、Cr15.0〜35.0％、Ni3.5〜22.0％、
Mo0.01〜6.0％、N0.001〜0.5％を基本成分とし且
つCr＋Ni＋Mo＋Si22.5％としAl0.01〜0.07％、
Ca0.001〜0.02％を必須とする鋼が知られている
が、同鋼は熱間加工性が良く地疵が発生せず且つ
海水中での耐孔食性や800℃近傍での耐熱性を期
待して開発されたものであつて、前記のような４
〓にも達する極低温における構造材料としての検
討は行なわれていなかつた。そこで本発明者らの一部はこれらの点に鑑み、
重量％でC0.05％以下、N0.2〜0.50％、Si1.0％以
下、Mn4.0％以下、Cr20〜35％、Ni8〜25％を含
有し、残部が実質的にFeであり、且つ非金属介
在物量が、清浄度0.1％以下である極低温構造用
オーステナイト系ステンレス鋼を特願昭58−
118880号により既に提案している。このステンレ
ス鋼は液体ヘリウム温度（４〓）からLNG温度
（111〓）に至る極低温における耐力靭性共に優れ
た性質を有し、極低温用構造材料として使用する
場合必要とする特性を具備している。（発明が解決しようとする問題点）ところでこの必要特性を検討の結果これらの特
性の内でも特に、極低温用構造材料に要求される
低温での耐力は４〓で1000Mpa以上にしＶノツ
チシヤルピー試験でのエネルギー吸収値100J以上
での高靭性のレベルにまで向上せしめる事が鋼構
造物の安全性および使用寿命の見地から非常に好
ましいという結論を得た。そこで本発明者等の一部は前述のＮを含むNi
−Cr系オーステナイト系ステンレス鋼について
さらに数多くの実験を行つた結果、極低温での靭
性を劣化させるのは非金属介在物や析出物の内で
も特にAlを含む酸化物介在物および析出物であ
ること、従つてAl量を極力低減したり熱処理に
より析出Alを固溶Alにすれば、極低温での靭性
が改善されることかつAlとＮの割合Ｎ／Alの原
子比が大きいほど低温靭性に有利であることなど
を見出した。さらにまた電子顕微鏡やEDX、介
在物分析などミクロ調査の結果から低温衝撃靭性
はAl₂O₃やAlNが多いほど低くとくに大型のも
の，形状が角ばつたもの，細長いものは球状介在
物に比べ好ましくないことを実験的に確認した。本発明は先に提案した極低温用オーステナイト
ステンレス鋼を以上の知見に基いて改良した結果
得られたものであつてその目的とするところは、
極低温で一段と高耐力、高靭性を有しかつ非磁性
である極低温構造用安定オーステナイト系ステン
レス鋼を提供するにある。（問題点を解決するための手段）本発明の要旨とするところは、重量％でＣ：
0.05％以下、Si：1.0％以下、Mn：4.0％以下、
Cr：22.5〜35％、Ni：８〜25％、全Al：0.002〜
0.07％、Ｎ：0.234〜0.50％を含有し、且つＮとAl
の割合が原子比で10以上481以下であり、残部が
実質的にFeであることを特徴とする極低温耐力、
靭性に優れた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
0.234％以上必要である。Ｎ量は多いほど耐力は
大きくなるが、Ｎを0.50％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0.50％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、フエライト安定化元素であり、1.0％
を超えると、安定オーステナイト組織を得にくく
なるので、1.0％以下とした。 Mnは、Ｎの溶解度を大きくする作用があり、
Ｎを多量に添加する場合にきわめて有効な元素で
あるが、Crが20％以上の鋼では、フエライト安
定化元素であり、4.0％を超えて含有すると、δ
フエライトが出やすくなり低温靭性を急激に劣化
するので、含有量上限を4.0％と定めた。 Crは、Ｎの固溶量と大きな関係があり、Cr量
が22.5％の時Ｎの固溶量は約0.25％であり、Crが
増加すると共にＮの固溶量も増加する。ただし、
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量を増加させねばならず、後述のようにNi
があまり多くなると、極低温において強磁性を示
すおそれがあるので、Crの添加量は35％が限度
である。したがつて本発明鋼のCr量を22.5〜35％
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とのバランスで決まるが、Ｎもま
たオーステナイト安定化元素であるため、Ｎを含
まない一般の安定オーステナイトステンレス鋼ほ
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、本発明鋼では８％以上のNiが必要で
あり、Niが25％を超えると、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８〜
25％とした。次に本発明において全Alの含有量を0.07％以下
と限定した理由は次の実験結果に基くものであ
る。即ち第２図はＣ：0.03％、Ｎ：0.15〜0.51％、
Si0.8％、Mn1.0％、Cr25％、Ni13％の成分を持
つ鋼においてAl量と77〓および４〓における
JIS4号衝撃試験片による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Al量は衝撃吸収エネルギ
ー値と大きな相関を有し、４〓においても100J以
上の十分な靭性を得ようとするにはAl量を0.07％
以下に抑える必要があることが判る。すなわち
Al量が0.07％を超えると４〓における衝撃吸収エ
ネルギー値が100Jに達しないという不都合を生ず
る。よつてAl量は0.07％以下に限定する必要があ
る。また、Al量は低ければ低い程、衝撃吸収エ
ネルギーが高くなるが、経済性も考慮した現状の
製鋼技術では自ずから限界があるので、Alの下
限は0.002％とする。さらに、本発明においてはＮ／Alの原子比を
10以上とすることを極めて重要な骨子の一つとす
るものである。即ち、第３図は第２図と同一成分
範囲の合金についてAlとＮの割合Ｎ／Alの原子
比を４〓の衝撃吸収エネルギーとの関係を示した
ものであるが第３図から明らかな如く、衝撃、吸
収エネルギー値を100J以上にするためにはＮ／
Al値を10以上にすることが必須であることが判
る。Ｎ／Alの原子比は大きくなればなる程、極
低温での衝撃吸収エネルギーは高くなるが、前記
理由でもつてＮには上限が、Alには下限がある
ので、これらから、Ｎ／Alの原子比の上限は481
とする。以上述べた以外の元素については、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。なおこの場合清浄度として
は0.1％以下であることが有効である。次に本発明鋼の効果を実施例についてさらに具
体的に述べる。実施例供試鋼No.１〜13の化学成分を第１表に示した。
同表中No.１〜７までの鋼は本発明鋼であり、４
〓，77〓のいずれの温度においても衝撃吸収エネ
ルギー値が高い。No.８〜11及びNo.13の材料はいず
れもAl含有量が0.07％超で本発明鋼の範囲より多
い。またNo.10、No.12の材料はCrが本発明の下限
を下まわつている。またNo.11の材料はＮが本発明
の上限を上まわつている。このため衝撃吸収エネ
ルギーがいずれも低い。しかもNo.８〜13の材料は
Ｎ／Alの原子比がいずれも10未満である。衝撃
吸収エネルギーが低いのは主としてこの点に起因
するものであることが明らかである。

【表】（発明の効果）以上の如く、本発明は極低温で一段と高耐力、
高靭性を有しかつ非磁性である極低温構造用安定
オーステナイト系ステンレス鋼を提供するもので
あるから、産業上裨益するところが極めて大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は４〓、77〓、300〓における0.2％耐力
に及ぼすＮの影響を示す図、第２図は４〓、77〓
の衝撃吸収エネルギーに及ぼすAlの影響を示す
図、第３図は４〓の衝撃吸収エネルギーに及ぼす
AlとＮの原子比Ｎ／Al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、Si：1.0％以下、
Mn：4.0％以下、Cr：22.5〜35％、Ni：８〜25
％、全Al：0.002〜0.07％、Ｎ：0.234〜0.50％を
含有し、且つＮとAlの割合が原子比で10以上481
以下であり、残部が実質的にFeであることを特
徴とする極低温耐力、靭性に優れた構造用オース
テナイト系ステンレス鋼。