JP2001240942A

JP2001240942A - 極低温用高Ｍｎ非磁性鋼継目無鋼管

Info

Publication number: JP2001240942A
Application number: JP2000053922A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Morito; 延行森戸; Akira Yorifuji; 章依藤; Takaaki Toyooka; 高明豊岡
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-04

Abstract

(57)【要約】【課題】大型の粒子加速器用ビームパイプに好適な、
極低温での透磁率が低く、円周方向に均一な低透磁率を
有する高Mn非磁性鋼継目無鋼管を提案する。【解決手段】質量％で、Ｃ：0.05〜0.15％、Mn：26.0
〜30.0％、Cr：5.0 〜10.0％、Ｎ：0.05〜0.15％を含有
し、あるいはさらにNi：0.50〜5.0 ％および／またはC
a：0.02％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物
からなる組成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極低温用構造材料
として好適な継目無鋼管に係り、とくに超電導磁石など
の強力な磁場発生装置を、あるいは粒子加速器を建設す
るために必要なビームパイプを、構成するために必要
な、極低温で使用される非磁性鋼継目無鋼管に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合発電や粒子加速器、超電導力貯蔵
などの各種の超電導利用技術において、強力な磁界を発
生させるために大容量の電流を流す必要から超電導磁石
が用いられている。このような超電導磁石内には強大な
電磁力が誘起され、しかも通常液体ヘリウムにより２〜
４Ｋの極低温に冷却されることから、超電導磁石を支持
する構造材料には極低温下で強大な電磁力に耐えること
ができる機械的強度が要求される。しかも、均一で安定
な強磁界分布をできるだけ広範囲に発生させることが基
本的な目的であるから、構造材料による磁界への影響は
限りなく小さくすることが肝要となる。したがって、磁
界との相互作用を起こさない非磁性材料であることが必
須条件である。

【０００３】以上の観点から、超電導磁石の内部や周辺
に用いる構造材料には、極低温での高い機械的性質と極
めて低い透磁率を具備することが求められる。とくに、
粒子加速器用ビームパイプは、素粒子を超高真空中で加
速させるために、粒子加速器には必須の部材であるが、
超電導磁石で構成された均一な磁束分布を損なわないこ
とが重要となる。このため、ビームパイプは、磁界との
相互作用を起こさないように、極めて低い透磁率を具備
することが求められる。さらに、ビームパイプは超伝導
コイルに直接接触しないため、極低温下で強大な電磁力
に耐える高い機械的強度を要求されないが、ビームパイ
プ内を高真空度に維持できるように、気密性が要求され
る。

【０００４】従来、上記した超電導磁石の内部や周辺に
用いる構造材料として検討されていた素材としては、オ
ースナイト系ステンレス鋼、高Ｍｎ鋼、アルミニウム合
金、チタン合金、さらに繊維強化プラスチックなどがあ
る。これら構造材料に要求される強度、透磁率および熱
膨張率は、製作する超電導磁石の設計磁界の強さや目的
とする磁場の分布の均一性などによって異なってくる
が、極低温での強度が高く、透磁率および熱膨張率が小
さいことが材料選択のうえで重要となる。

【０００５】繊維強化プラスチックは、非磁性であり、
比重が小さくて取り扱いやすく、オーステナイト系ステ
ンレス鋼に比較して低熱膨張係数を有するが、単位断面
積当たりの強度が低く、さらに気密性、耐熱性が低く、
ベーキング等の脱ガス処理により高真空を得る大型の粒
子加速器用材料としては問題を残していた。また、チタ
ン合金は、比重が小さく、強度が高く高比強度を有して
いるが、低温での靱性が低くうえ、コストが高いという
問題がある。

【０００６】アルミニウム合金は、軽量で、比強度が高
く透磁性も極めて低いことから、極低温での多くの用途
に用いられているが、大型粒子加速器におけるように設
計磁界を高くした場合には強度が不足し、溶接性にも問
題がある。また、ベーキング等の脱ガス処理を行う場合
には高真空度の到達が困難であり、ベーキング等の脱ガ
ス処理を行い高真空度を得る大型の粒子加速器用材料と
しては問題が多い。

【０００７】一般のオーステナイト系ステンレス鋼は、
低温での強度と靱性が不十分であるため、窒素を添加
し、低炭素含有量としたステンレス鋼が開発されてい
る。しかし、このステンレス鋼は、オーステナイト相の
安定性が不十分であるため、低温での変形によってオー
ステナイト相の一部が強磁性体のマルテンサイト相に変
態する。このため、靱性の低下を招くとともに、極低温
での透磁率が十分には低くならないという問題があっ
た。

【０００８】その後、さらにNi含有量を高めたオーステ
ナイト系ステンレス鋼が開発されたが、極低温用構造材
料としてはコストの高いことと熱膨張係数の大きいこと
に問題があった。このような問題に対し、特公昭59−11
661 号公報や特公平5-18887 号公報には、比較的安価な
高Mn非磁性鋼やその製造方法が提案されている。

【０００９】しかし、特公昭59−11661 号公報に記載さ
れた高Mn非磁性鋼は、極低温での透磁率が高く、大型の
粒子加速器用としては問題があった。また、特公平5-18
887号公報に記載された技術では、長時間の時効処理を
必要とし、生産性が低下するという問題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】さらに、粒子加速器用
ビームパイプに適用される管としては、内面美麗、気密
性に優れかつ極低温での極めて低い透磁率と、円周方向
に均一な低透磁率を有する小径管が好ましい。小径管と
しては、鋼板を円筒状に成形して継目部を溶接して造管
する溶接鋼管と、鋼素材を穿孔、圧延して造管する継目
無鋼管とがある。しかし、溶接鋼管では、従来の高Mn非
磁性鋼を使用する限りでは、溶接部の透磁率が母材のそ
れにくらべ高くなりすぎて円周方向に均一な特性が得ら
れず、また高い気密性を安定して得ることが難しいとい
う問題があった。また、継目無鋼管では、従来の高Mn非
磁性鋼を使用する限りでは、熱間加工性が悪く穿孔、熱
間圧延等の造管加工に問題を残していた。

【００１１】本発明は、上記した従来技術の問題を解決
し、大型の粒子加速器用ビームパイプに好適な、極低温
での透磁率が低く、円周方向に均一な低透磁率を有する
高Mn非磁性鋼継目無鋼管を提案することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
課題を達成するために、まず、大型粒子加速器用ビーム
パイプに必要な特性を調査するとともに、高Mn非磁性鋼
板の極低温における透磁率におよぼす要因について鋭意
研究した。その結果、高Mn非磁性鋼板の極低温における
透磁率は、Mn増量によってオーステナイト相をより一層
安定化させることにより、低くすることが可能となると
いう知見を得た。

【００１３】さらに、本発明者らは、上記した知見によ
り製造された鋼素材を、熱間押出しまたはマンネスマン
マンドレル方式あるいはプラグミル方式等の熱間圧延、
あるいはさらに熱間または冷間でサイザー、レデューサ
等により、所定の寸法の継目無鋼管とすることにより、
気密性に優れ、かつ極低温での透磁率が低く、円周方向
に均一な低透磁率を有し、粒子加速器用ビームパイプと
して十分な特性を有する鋼管となることを見いだした。

【００１４】本発明は、上記したような知見に基づき、
さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、
本発明は、質量％で、Ｃ：0.05〜0.15％、Mn：26.0〜3
0.0％、Cr：5.0 〜10.0％、Ｎ：0.05〜0.15％を含有
し、あるいはさらにNi：0.50〜5.0 ％および／またはC
a：0.02％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物
からなる組成を有することを特徴とする極低温用高Ｍｎ
非磁性鋼継目無鋼管である。

【００１５】また、本発明は、質量％で、Ｃ：0.05〜0.
15％、Mn：26.0〜30.0％、Cr：5.0〜10.0％、Ｎ：0.05
〜0.15％、あるいはさらにNi：0.50〜5.0 ％および／ま
たはCa：0.02％以下を含有し、残部Feおよび不可避的不
純物からなる組成を有する継目無鋼管からなる粒子加速
器用ビームパイプである。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、本発明の継目無鋼管の化学
成分の限定理由について説明する。なお、以下、組成に
おける質量％は単に％と記す。Ｃ：0.05〜0.15％Ｃは、侵入型固溶元素であり、固溶強化により鋼の強度
を上昇させるために有効である。極低温での所望の降伏
応力を得るために、0.05％以上のＣの含有を必要とす
る。一方、Ｃが0.15％を超えると、オーステナイト相が
不安定となり、炭化物が析出し、極低温での透磁率を低
く維持することができなくなるとともに、加工性・溶接
性が劣化する。このため、Ｃは0.05〜0.15％の範囲に限
定した。なお、Ｃの好ましい範囲は0.07〜0.13％であ
る。

【００１７】Ｎ：0.05〜0.15％Ｎは、Ｃと同様に侵入型固溶元素であり、オーステナイ
ト相の安定化と低温強度の上昇のためには有益な添加元
素であり、0.05％以上の含有を必要とする。一方、Ｎが
0.15％を超えると、圧延加工性および溶接性を損なうと
ともに、窒化物や炭窒化物の析出により透磁率を増加さ
せる。このため、Ｎは0.05〜0.15％の範囲に限定した。
なお、Ｎの好ましい範囲は0.07〜0.13％である。

【００１８】Mn：26.0〜30.0％ Mnは、本発明おいて重要な元素で、オーステナイト相を
安定化させ、極低温でも極めて低い透磁率を実現するた
めに有用である。このような効果を得るためには、Mnは
26.0％以上の含有を必要とする。一方、30.0％を超える
と、靱性や溶接性および製造性の低下を招くことから、
Mnは26.0〜30.0％の範囲に限定した。

【００１９】Cr：5.0 〜10.0％ Crは、固溶強化によって機械的強度の上昇に寄与するほ
か、耐食性の向上に有効に作用する。このような効果は
5.0 ％以上の含有で認められるが、10.0％を超えると、
オーステナイト相の安定化を阻害し低温での透磁率の上
昇を招く。このため、Crは5.0 〜10.0％の範囲に限定し
た。なお、本発明で対象とする材料を使用する環境は、
基本的には化学反応の進行が極めて緩慢な極低温・高真
空中であり、腐食性の観点からは劣悪でなく、この程度
のCr含有量で十分な耐食性を確保できる。なお、Crの好
ましい範囲は、６〜８％である。

【００２０】Ni：0.50〜5.0 ％ Niは、オーステナイト相の安定化と極低温での靱性向上
に寄与するとともに、耐食性をも向上させる。本発明で
は必要に応じ含有できる。このような効果は少なくとも
0.50％以上の含有で認められるが、Niが高価であること
から、多量の含有は工業的には好ましいことではない。
このため、Niは0.50〜5.0 ％の範囲とするのが好まし
い。これにより、本発明の鋼材は、SUS 316LN などの高
Ni系オーステナイトステンレス鋼に比較し、熱膨張係数
のみでなく、価格的にも大きな利点を有することにな
る。

【００２１】Ca：0.02％以下 Caは、不可避的不純物として混入するＳの害を抑制し、
熱間加工性を改善する目的で必要に応じ添加できる。な
お、Caの好ましい添加量は、0.004 〜0.01％の範囲内
で、かつCa、Ｓ、Ｏ各元素の含有量を質量ppm で表示
し、次（１）式 0.8 ×Ca＋30＞Ｓ＋Ｏ ……（１）を満たすことが熱間加工性の確保のためには有効であ
る。より簡便な判断基準としてCa／Ｓ≧２、好ましくは
Ca／Ｓ≧３を用いることもできる。

【００２２】なお、上記した成分以外の残部は、実質的
にはFeおよび不可避的不純物である。不可避的不純物と
しては、Ｓ：0.005 ％以下、Ｐ：0.05％以下、Ｏ：0.00
5 ％以下が工業的経済性の観点から許容できる。また、
炭化物、窒化物、炭窒化物などの析出物、殊にFe₃C、Fe
₄N等の強磁性析出物の生成や、例えばSiのようなオース
テナイト相の安定性を損なうような成分の含有は、目的
とする機械的性質などが満足する範囲で少ないことが望
ましい。

【００２３】本発明の高Ｍｎ非磁性鋼継目無鋼管の製造
方法では、まず、上記した化学組成の溶鋼を、転炉、電
気炉等通常公知の溶製法で溶製し、連続鋳造法あるいは
造塊−分塊法やその他熱間圧延法を適用して鋼管素材と
する。なお、溶鋼の取鍋精錬、真空脱ガス等の２次精錬
を必要に応じ実施してもよいことはいうまでもない。つ
いで、これら鋼管素材を再加熱し、あるいは鋼管素材が
所定以上の温度を有する場合には再加熱することなく、
ピアサによる穿孔と、プラグミル方式、マンドレルミル
方式などの熱間圧延により造管し継目無鋼管とする。

【００２４】本発明に好適な鋼管素材は、Mnを多量に含
有していることもあり、高温ではMnが酸化されやすいた
め、鋼管素材の加熱温度を過度に高めることは焼き減り
を増やすだけでなく、Mnヒュームの過剰な発生につなが
るので好ましくない。そこで、高温引張試験により、本
発明に好適な鋼管素材の熱間加工性について評価した。
使用したした鋼素材の組成は、質量％で、Ｃ：0.12％、
Si：0.05％、Mn：27.9％、Ｐ：0.029 ％、Ｓ：0.002
％、Cr：7.0 ％、Ｎ：0.10％、Ni：0.15％、Ca：0.006
％である。その結果を図１に示す。図１から、断面収縮
率は1200℃を超えると減少し、熱間脆性の兆候が現れる
ことがわかる。

【００２５】このようなことから、1200℃を超えると、
耳割れ等の発生が懸念される。このため、熱間圧延の圧
延開始温度の上限を1200℃とするのが好ましい。また、
熱間圧延の圧延開始温度が1050℃未満となると、炭化物
の溶解が不十分であり、また、変形抵抗の増大という不
具合が生じる。このため、熱間圧延の圧延開始温度は10
50〜1200℃の範囲とするのが好ましい。なお、より好ま
しくは、1100〜1180℃である。

【００２６】また、本発明では、熱間圧延の圧延終了温
度を700 ℃以上に限定するのが好ましい。また、熱間圧
延の圧延終了温度が1000℃を超えると、再結晶による結
晶粒の粗大化という不具合が生じる。このため、熱間圧
延の圧延終了温度は700 〜1000℃の範囲に限定するのが
好ましい。なお、より好ましくは、耳割れ防止の観点か
ら、800 〜950 ℃である。

【００２７】熱間圧延により造管された継目無鋼管は、
そのまま、あるいは再加熱を施されて、さらに、サイザ
ー、レデュサー等による熱間、あるいは冷間加工により
所望の寸法の鋼管とされる。熱間加工、あるいは冷間加
工条件はとくに限定する必要はなく、所望の寸法の継目
無鋼管とすることができればよい。なお、熱延のままの
継目無鋼管の焼鈍は、組織の均一化のために実施するの
が好ましく、950 〜1200℃の温度範囲で行うのが望まし
い。焼鈍温度が 950℃未満では、断面収縮率が減少し、
1200℃を超えると脆化とともにスケール生成が過大とな
る。

【００２８】上記したような加工を施された継目無鋼管
は、最終焼鈍処理を施されるのが好ましい。最終焼鈍処
理は、加工による内部歪の解放、再結晶、析出物の固溶
を主目的として行う。とくに、炭化物、窒化物、炭窒化
物をオーステナイトマトリックス相中に完全に固溶さ
せ、低透磁率の確保に不利な析出相を消失させるための
プロセスである。焼鈍温度は1050〜1200℃とするのが好
ましい。焼鈍温度が、1050℃未満では、析出物の固溶が
不十分であり、一方、1200℃を超えると、連続焼鈍を工
業的に安定して実施できなくなる。なお、好ましい焼鈍
温度は、1050〜1180℃である。また、この焼鈍の保持時
間は、鋼管が上記した温度に10〜120sec保持される時間
とするのが望ましい。

【００２９】さらに、本発明では、上記した範囲の焼鈍
温度に保持されたのち、冷却する。冷却は、炭化物や炭
窒化物の析出を防止する目的で行うものであり、冷却速
度が５〜30℃／ｓを有する冷却であれば、その冷却手段
はとくに限定されない。焼鈍後は、酸洗等の処理を実施
するのが好ましい。本発明の継目無鋼管は、継目無しで
あることから当然ながら気密性に優れ、しかも当然なが
ら円周方向の透磁率の変化はなく、1.0015以下の低透磁
率を保持することができる。また、４Ｋにおける透磁率
は、室温とほとんど同じであり、温度による透磁率の変
化は少ない。これは、本発明の継目無鋼管におけるオー
ステナイト相が極めて安定であることによると考えられ
る。

【００３０】このように、本発明の継目無鋼管は、気密
性、および円周方向に均一な低透磁率を有する鋼管であ
り、粒子加速器用ビームパイプとして好適である。

【００３１】

【実施例】表１に示す化学組成の溶鋼を転炉で溶製し、
連続鋳造法で鋼管素材とした。これら鋼管素材に、ピア
サによる穿孔と、マンドレルミルによる延伸の熱間圧延
を表２に示す条件で施し、継目無鋼管（ 110mmφ×肉厚
2.3mm）とした。ついで、これら鋼管に表２に示す中間
焼鈍（雰囲気：大気中）を施したのち、表２に示す条件
の熱間ストレッチレデュサーで50mmφの鋼管（肉厚 2.0
mm）とし、最終焼鈍処理として1100℃×60ｓの焼鈍（雰
囲気：大気中）を施し、焼鈍後20℃／ｓの冷却速度で常
温まで冷却し、その後酸洗処理して製品管とした。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】これら継目無鋼管から試験片を採取し、
室温および４Ｋでの引張試験、振動試料型磁気測定装
置を用いた室温および４Ｋでの透磁率の測定試験を実施
した。また、これら継目無鋼管について、室温〜液体
窒素温度間の平均熱膨張係数の測定試験を実施した。さ
らに、鋼管の気密性試験を実施し鋼管の気密性を評価
した。

【００３５】なお、鋼管の気密性試験として、Heリーク
試験を行った。気密性は完全の場合○、若干でもリーク
の認められた場合×で評価した。それらの結果を表３に
示す。

【００３６】

【表３】

【００３７】本発明例はいずれも、極低温における、0.
2 ％耐力、引張強さも高い値を示し極低温における優れ
た機械的性質を有している。また、本発明例はいずれ
も、室温はもちろん、４Ｋにおいても、低い透磁率を示
し、また室温〜液体窒素温度間の熱膨張率も低く、優れ
た極低温における特性を有している。さらに、本発明例
の鋼管は、鋼管の室温〜液体窒素温度間での平均熱膨張
率も低く、さらに鋼管の気密性に優れ高真空度を維持す
ることが可能であり、本発明例の鋼管は、粒子加速器用
ビームパイプとして十分に適用できる。

【００３８】これに対し、本発明の範囲を外れる比較例
は、室温〜液体窒素温度間の平均熱膨張係数が大きく、
また極低温での透磁率が高く、粒子加速器用ビームパイ
プとしては適用できないものである。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、極低温での透磁率が低
く、平均熱膨張係数も低い、大型粒子加速器用ビームパ
イプへ適用できる性能を有している高Mn非磁性鋼継目無
鋼管を工業的に安価に提供でき、産業上格段の効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】高温引張試験における断面収縮率と加熱温度の
関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 13/04 Ｈ０５Ｈ 13/04 Ｃ (72)発明者豊岡高明愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内Ｆターム(参考） 2G085 BA16 EA01 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で、Ｃ：0.05〜0.15％、 Mn：26.0〜30.0％、 Cr：5.0 〜10.0％、Ｎ：0.05〜0.15％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を
有することを特徴とする極低温用高Ｍｎ非磁性鋼継目無
鋼管。
【請求項２】前記組成に加えて、さらに質量％で、N
i：0.50〜5.0 ％を含有することを特徴とする請求項１
に記載の極低温用高Ｍｎ非磁性鋼継目無鋼管。
【請求項３】請求項１または２に記載の継目無鋼管か
らなる粒子加速器用ビームパイプ。