(57)【要約】【課題】９％Ｎｉ鋼の本来の特性である超低温耐性は維持したままで、２８０℃というような中程度の高温における０．２％耐力が６４０ＭＰａ以上、という高い強度を有する機械部品を提供する。【解決手段】重量で、Ｃ：０．０７〜０．１３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３０％、Ｍｎ：０．５〜０．９％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：９．０〜９．５％、Ｃｒ：０．２５％以下、Ｍｏ：０．１５〜０．２０％およびＡｌ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する鋼を、鍛造により機械部品の形状に加工し、温度５３０〜５７０℃、好ましくは５４０〜５６０℃において焼戻し処理を施す。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量で、Ｃ：０．０７〜０．１３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３０％、Ｍｎ：０．５〜０．９％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：９．０〜９．５％、Ｃｒ：０．２５％以下、Ｍｏ：０．１５〜０．２０％およびＡｌ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する鋼を、鍛造により機械部品の形状に加工し、温度５３０〜５７０℃において焼戻し処理を施してなる中高温特性にすぐれた９％Ｎｉ鋼の部品。
【請求項２】
Ｃ：０．０９〜０．１１％である合金組成を有する鋼を材料とする請求項１の９％Ｎｉ鋼の部品。
【請求項３】
温度５４０〜５６０℃において焼戻し処理をした請求項１または２の９％Ｎｉ鋼の部品。
【請求項４】
常温における引張り強さが６９０ＭＰａ以上であって、２８０℃における０．２％耐力が６４０ＭＰａ以上である請求項１ないし３のいずれかの９％Ｎｉ鋼の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超低温耐性をもって知られる９％Ｎｉ鋼にあって、中高温特性を改善したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、採掘した天然ガスを圧縮し冷却して液化する装置、得られたＬＮＧをタンカーで輸送するためのタンク、さらに、輸送されてきたＬＮＧの陸揚げや、貯蔵をする装置の材料は、−１９６℃の超低温に耐えることが必要であり、そうした特性を有する鋼材として、９％Ｎｉ鋼が広く使用されている。規格としては、ＡＳＴＭ  Ａ５２２「タイプＩ」に、下記の合金組成と物性が定められている。
Ｃ：０．１３％以下、Ｓｉ：０．１５〜０．３０％、Ｍｎ：０．９０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｎｉ：８．５〜９．５％、Ｆｅ：残部
−１９６℃における横膨出量：０．３８mm以上（衝撃吸収エネルギー：３４Ｊ以上）
【０００３】
９％Ｎｉ鋼に関しては、残留磁気が少ないアーク溶接用の鋼板の材料として、重量で、Ｃ：０．０１〜０．１％、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｎｉ：８．５〜９．５％を含み、さらにＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏの１種以上を０．２％以下含み、常温での残留オーステナイト量が８％以下である合金が開示された（特許文献１）。残留磁気を低減することは、この鋼板がＬＮＧ貯蔵タンクの材料であり、溶接によりタンクを製作するときに、溶接欠陥を生じさせないために必要な性質である。
【０００４】
同じく、残留磁気が少ないアーク溶接用の鋼板の材料として、上記の合金組成に、Ａｌ：０．００５〜０．０５％およびＮ：０．００５％以下を加えたもの、および、さらにＣｕ，Ｃｒ，Ｍｏの１種以上を０．０１〜０．２％添加した９％Ｎｉ鋼も提案された（特許文献２）。この鋼板は、Ａｃ３変態点以上の温度から焼入れた後、５８０℃以下の温度で焼戻すことにより製造されるが、さらに、６５０℃以上Ａｃ３変態点以下の温度で中間熱処理することが望ましいとのことである。
【特許文献１】特開平０９−２３５６５７号公報
【特許文献２】特開平１０−１７６２４８号公報
【０００５】
最近、９％Ｎｉ鋼において、超低温耐性だけでなく、中高温、たとえば２８０℃における強度がすぐれた材料が要求されるようになった。たとえば、ガスを圧縮するために用いるターボコンプレッサーの主板および側板用の材料がその例であり、超低温耐性を維持したままで、２８０℃における０．２％耐力が６４０ＭＰａ以上である、というような物性の要求がある。しかし今日まで、９％Ｎｉ鋼に対しては、超低温耐性以外にはとりたてて厳しい要求がなく、したがって常温以上における物性に関して配慮した材料が開発されていたわけでないから、既存の材料ではこの要求にこたえることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、９％Ｎｉ鋼の分野で新たに生じた技術的課題、すなわち、この鋼の本来の特性である超低温耐性は維持したままで、２８０℃というような中程度の高温における０．２％耐力が６４０ＭＰａ以上、という高い強度を有する機械部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成する本発明の中高温特性にすぐれた９％Ｎｉ鋼の部品は、重量で、Ｃ：０．０７〜０．１３％、Ｓｉ：０．１５〜０．３０％、Ｍｎ：０．５〜０．９％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎｉ：９．０〜９．５％、Ｃｒ：０．２５％以下、Ｍｏ：０．１５〜０．２０％およびＡｌ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部が実質的にＦｅからなる合金組成を有する鋼を、鍛造により機械部品の形状に加工し、温度５３０〜５７０℃において焼戻し処理を施してなる部品である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の９％Ｎｉ鋼の部品は、従来の９％Ｎｉ鋼の部品と同様に、−１９６℃という極低温で機械的特性が常温と大差ないという特徴を備えた上で、常温における引張り強さが６９０ＭＰａ以上あり、かつ、２８０℃における０．２％耐力が６４０ＭＰａ以上であるという、中高温における特性がすぐれている。それゆえ、超低温耐性のみならず、常温ないし中高温においても良好な機械的特性をもつことを要求される、さまざまな機械部品として用途を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の部品の材料とする９％Ｎｉ鋼の合金組成を上記のように定めた理由、および焼戻し処理の温度を上記のように選択した理由を、以下に説明する。
【００１０】
Ｃ：０．０７〜０．１３％、好ましくは０．０９〜０．１１％
機械部品に要求される強度を確保する上で、０．０７％以上のＣの存在が必要である。本発明の部品は鍛造により製造されるが、最終製品に加工する過程で溶接されることが少なくないから、溶接性もまた重要な特性である。この観点からＣ量に限界があって、０．１３％までとする。好ましい範囲は、０．０９〜０．１１％である。
【００１１】
Ｓｉ：０．１５〜０．３０％
Ｓｉは脱酸剤として製錬時に添加され、０．１５％以上必要である。多量になると偏析が助長されるので、０．３０％を添加量の上限とする。
【００１２】
Ｍｎ：０．５〜０．９％
Ｍｎも脱酸剤であり、０．５％以上を添加する。過大な存在は、溶接性に悪影響を与えるという点で好ましくないから、０．９％までの添加に止める。
【００１３】
Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１０％以下
これらは不純物として若干の混入が避けられないが、いずれも衝撃強度を損なうから、なるべく含有量を低く抑えたい。本発明では、この理由で前記ＡＳＴＭの許容限界より低い上限値をえらんだ。
【００１４】
Ｎｉ：９．０〜９．５％
９％Ｎｉ鋼の特徴である超低温耐性をあたえるのがＮｉである。本発明では、ＡＳＴＭの範囲の中で高Ｎｉ側の添加量を選択した
【００１５】
Ｃｒ：０．２５％以下
ＮｉやＭｏを含有する鋼を製造する場合、原料に由来するＣｒの混入は避け難いが、多量の存在は溶接性に悪い影響があるから好ましくない。許容限度として、０．２５％の上限を設けた。
【００１６】
Ｍｏ：０．１５〜０．２０％
Ｍｏの添加は、Ａｌの添加とともに本発明の合金の特徴であり、常温および中高温における物性を改善する上で必須の成分である。Ｍｏの作用は０．１５％以上の添加で確実に得られるようになるが、一方、軟化抵抗性を高めすぎないよう、０．２０％以下にしなければならない。前述のように、既知の改善された９％Ｎｉ鋼（特許文献１）においてもＭｏの添加が提案されてはいるが、そこでは、ＭｏはＮｉおよびＣｕとからなるグループから選択され、残留オーステナイト量を低減して保磁力を低くするために添加される成分である。
【００１７】
Ａｌ：０．０１〜０．０３％
Ａｌは結晶粒を微細化して、超低温から中高温にわたる物性の改善に寄与する。０．０１％より少ないと、微細化効果が不確実で、結晶粒径にバラツキが生じる。しかし多量に加えると、介在物が多くなって靭性を損なうから、０．０３％を添加量の上限とする。結晶粒の微細化は、ＮｂやＴｉの添加によっても実現するが、これらの元素は炭化物を生成して好ましくない。
【００１８】
焼戻し処理温度：５３０〜５７０℃、好ましくは５４０〜５６０℃
前掲の９％Ｎｉ鋼の製造方法（特許文献２）においても、５８０℃以下の温度における焼戻しを行なうが、この限定は、焼戻し温度が５８０℃を超えると逆変態が生じて（γ相の生成）降伏比が低下するという現象に注目し、それを避けることを意識しているためと解される。この既知の技術における焼戻しの目的が、保磁力低減を通じた残留磁気の低減にあるため、「特に好ましい」焼戻し温度は５３０℃以下とされている。
一方、在来の９％Ｎｉ鋼においては、逆変態によるγ相の生成によって低温特性とくに靭性を得るようにしていたが、γ相の生成量が多すぎると０．２％耐力が低下するから、常温ないし中高温の特性を重視する場合は、５８０℃のような高温の焼戻しはあり得ない。後記するデータにみるように、焼戻しを低温で行なうと強度が高まるが、衝撃値は下がり、高温で行なうとこの逆になる。両者のバランスする狭い温度範囲に、適切な焼戻し処理温度がある。
【実施例】
【００１９】
表１に記載の合金組成（重量％、残部Ｆｅ）をもつ９％Ｎｉ鋼を、真空誘導炉において溶製し、インゴットに鋳造した。No.１〜３は比較例、No.４および５が実施例である。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
各インゴットを鍛造して３５mm×６５mmの角棒にし、下記の条件で、焼きならしおよび焼入れ・焼戻しを行なった。得られたサンプルについて、ブリネル硬さ試験、引張り試験、衝撃試験およびγ相の生成量の測定を行った。
焼きならし：８５０℃×１時間  空冷
焼入れ：８００℃×２時間  水冷
焼戻し：５２０℃から６００℃の範囲で２０℃刻み×４時間
【００２２】
種々の焼戻し温度におけるブリネル硬さの値は、図１のグラフに示すとおりである。焼戻し温度の上昇につれて硬さが低下しているが、本発明に従った実施例では、同じＣ量で比較したときに、より高い硬さが得られていることが明らかである。
【００２３】
焼戻し温度と常温における０．２％耐力との関係は、図２のグラフに示すとおりである。ここでも、焼戻し温度の上昇につれて０．２％耐力が低下しているが、本発明に従った実施例では、同じＣ量で比較したときに、より高い０．２％耐力が得られていることがわかる。
【００２４】
焼戻し温度と常温における引張り強さとの関係は、図３のグラフに示すとおりである。焼戻し温度の上昇につれて引張り強さが低下し、５８０℃で底を打ってからまた上昇しているが、これは、前述の逆変態によるγ相の生成がその理由である。やはり本発明の実施例が高い強度を示している。降伏比すなわち（０．２％耐力）／（引張り強さ）との焼戻し温度との関係をプロットしてみると、図４のようになる。
【００２５】
本発明に従う９％Ｎｉ鋼の部品が超低温においても高い衝撃強度を示すことを確認するため、−１９６℃における衝撃試験を行なって、図５のグラフを得た。このグラフから、本発明の部品が、既知の９％Ｎｉ鋼と同等の超低温耐性を有することがわかる。
【００２６】
つぎに、中高温における強度を調べるため、２８０℃において０．２％耐力を測定し、焼戻し温度との関係をプロットした。得られたのが図６のグラフであって、本発明の実施例においては、０．２％耐力が６４０ＭＰａという要求を、余裕をもって充足しているのに対し、比較例はいずれも不充足である。
【００２７】
前述した、逆変態によるγ相の生成の度合いが焼戻し温度によってどのように変化するかを調べるため、Ｘ線回折により定量を行なった。得られたデータをプロットして、図７のグラフを得た。本発明で選択した焼戻し温度の範囲５３０〜５７０℃のうち高温側で２％程度のγ相が生成しているが、この程度の量であれば、実質的な問題は生じない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の９％Ｎｉ鋼の部品は、前記した天然ガスの液化に使用するターボコンプレッサーの主板および側板として有用であるほか、超低温耐性に加えて常温ないし中高温の機械的特性が要求される種々の用途に対しても、適用可能である。もちろん、ＬＮＧ貯蔵タンクなど、要求される特性がほとんど超低温耐性だけである部品の材料としても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施データであって（以下、図２から図７まで同じ）、サンプルの焼戻し温度とブリネル硬さとの関係をプロットしたグラフ。
【図２】サンプルの焼戻し温度と常温における０．２％耐力との関係をプロットしたグラフ。
【図３】焼戻し温度と常温における引張り強さとの関係をプロットしたグラフ。
【図４】焼戻し温度と降伏比との関係をプロットしたグラフ。
【図５】−１９６℃における衝撃試験により得た、焼戻し温度と吸収エネルギーとの関係をプロットしたグラフ。
【図６】２８０℃における引張り試験により得た、焼戻し温度と０．２％耐力との関係をプロットしたグラフ。
【図７】焼戻し温度と、逆変態により生成したγ相の量との関係をプロットしたグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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