CN103659016A

CN103659016A - 9～12%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部的制造方法及通过该方法制造的轴颈部

Info

Publication number: CN103659016A
Application number: CN201310394504.1A
Authority: CN
Inventors: 冈村义弘; 分岛泰
Original assignee: Japan Casting and Forging Corp
Current assignee: Japan Casting and Forging Corp
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103659016B

Abstract

本发明提供9～12%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部的制造方法及通过该方法制造的轴颈部，在该制造方法中，在9～12wt%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部形成坡口面，在该坡口面上使用第一焊接材料形成下焊层，再在该下焊层上使用第二焊接材料形成上焊层，第一焊接材料含有C：0.10～0.25wt%、Si：0.20～0.80wt%、Mn：1.0～2.5wt%、Ni：0.4～1.0wt%、Cr：1.0～3.0wt%、Mo：0.2～1.5wt%、V：0.03～0.10wt%，且余量由Fe以及P：0.015wt%以下和S：0.010wt%以下的不可避免的杂质组成；第二焊接材料含有C：0.10～0.25wt%、Si：0.20～0.80wt%、Mn：1.0～2.5wt%、Ni：0.4～1.0wt%、Cr：1.0～3.0wt%、Mo：0.2～1.5wt%，且余量由Fe以及P：0.015wt%以下和S：0.010wt%以下的不可避免的杂质组成。

Description

9～12%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部的制造方法及通过该方法制造的轴颈部

技术领域

本发明涉及一种蒸汽涡轮机转子的制造方法。例如涉及一种9～12%Cr钢制涡轮机转子（高Cr钢制涡轮机转子）的轴颈部（轴承部）的疲劳特性和接合韧性优异的9～12%Cr钢制涡轮机转子的制造方法及通过该方法制造的轴颈部。

背景技术

例如在作为火力发电的中心设备的蒸汽涡轮机转子中使用更高温高压的蒸汽来谋求提高火力发电的效率，因此，在要求耐高温性及耐高压性的同时要求工作可靠性。因此，作为蒸汽涡轮机转子，使用高温材料、即高温蠕变性优异的12%Cr钢材料的一体锻造转子（12%Cr钢制转子）。

然而，12%Cr钢制转子与低Cr钢制转子相比，存在产生轴颈部的润滑油中的碳和Cr的碳化化合物而导致滑动特性变差的问题。因此，通过在涡轮机转子的轴颈部的表面堆焊1%左右的低Cr钢（低合金钢的堆焊），可消除该问题，并且可防止由烧结或者粘着而引起的损伤。

另一方面，在专利文献1中公开了一种轴颈部不会破损的涡轮机转子。该涡轮机转子通过如下操作制造：将涡轮机转子的切削圆筒面预热至温度200～250℃，用C：0.1～0.3%、Mn：1.5～2.0%、Cr：0.05～0.1%、Si：0.3%以下、P和S均为0.03%以下、余量由Fe构成的焊条实施多层堆焊，加热至200℃，在120℃下保持10小时后，将整体加热至680℃，接着以每小时5℃冷却至300℃。

另外，在专利文献2中公开了一种抑制在轴承部发生的扭转应力从而赋予轴部表面强度的涡轮机转子。该涡轮机转子的特征在于，将C：0.05～0.35%、Si：0.10～1.00%、Mn：0.10～1.00%、Mo：0.10～2.00%、Cr：0.30～2.80%、V：0.05～0.35%、Ni：0.50～4.00%、且余量由铁构成的合金堆焊在轴承部上。

在专利文献3中公开了一种没有低温开裂、高温开裂及气孔等缺陷且具有足够的强度等的12%Cr钢制蒸汽涡轮机转子轴。记载了该12%Cr钢制蒸汽涡轮机转子轴的轴颈部为C：0.11～0.17%、Si：0.2～0.6%、Mn：1.0～2.5%、P：0.03%以下、S：0.015%以下、Cr：1.1～1.6%、Mo：0.1～1.6%、V：0.04%以下、余量由Fe构成的堆焊金属。在该专利文献3中记载了通过组合低Cr低Mo钢的焊丝和烧结型焊剂，利用埋弧焊接法进行下焊层焊接，接着利用同样的焊接法进行上焊层焊接来制造。

在专利文献4中公开了一种轴颈部具有足够的强度且焊接残留应力小的5～13%Cr系涡轮机转子。该5～13%Cr系涡轮机转子可通过如下操作制造：用碳钢系的焊接材料对涡轮机转子的轴颈部实施下焊层焊接后，用含有少量的Cr、Ni和Mo的低合金钢系的焊接材料实施上焊层焊接。

在专利文献5中公开了一种具有高水平的疲劳强度和耐烧结性、且防止微小焊接缺陷产生的12%Cr钢制涡轮机转子轴承部的堆焊方法。在该堆焊方法中，在与12%Cr钢涡轮机转子的轴承之间的接触面下侧用含有C：0.03～0.2%、Si：0.2～2.0%、Mn：0.5～3.0%、Ni：3.0%以下、Cr：1.0～4.0%、选自Al、Ti、Zr中的至少1种且总量为0.05～1.5%、H：3.0ppm以下、进而以满足一定的关系式的条件含有选自Nb、V、W、Ti、Mo中的至少1种，且余量基本上由Fe构成的焊接材料焊接下焊层侧，再用含有C：0.03～0.2%、Si：0.2～2.0%、Mn：0.5～3.0%、Ni：3.0%以下、Cr：1.0～2.5%、Mo：0.1～1.5%、Nb：0.05%以下、V：0.1%以下、选自Al、Ti、Zr中的至少1种且总量为0.05～1.5%、H：3.0ppm以下，且余量基本上由Fe构成的焊接材料焊接上焊层侧。

在专利文献6（日本特开2011-11240号公报）中公开了使用含有C：0.03～0.2%、Si：0.2～1.0%、Mn：0.5～3.0%、Ni：0.1～0.5%、Cr：1.0～2.5%、Mo：0.1～1.5%、Ti：0.008～0.05%，且余量由Fe构成的堆焊用材料形成涡轮机转子的轴承部的方案。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭55-16744号公报

专利文献2：日本特开昭57-137456号公报

专利文献3：日本特开平4-81293号公报

专利文献4：日本特开平6-272503号公报

专利文献5：日本特开平9-76091号公报

专利文献6：日本特开2011-11240号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1记载的技术中，存在如下问题：容易在焊接接合部（以下，简称为接合部）引起铁素体的产生，由此引起接合部的韧性和疲劳强度不充分。另外，在专利文献2记载的技术中，未必分为下层和上层进行堆焊。另外，存在用作脱氧材料的Mn的量少，无法确保接合部的焊缝强度这样的课题。

专利文献3的技术未必将第一层作为下焊层、第二层以后作为上焊层，3层以上使用上述合金。另外，由于V的量也少，因此，在接合部中容易产生铁素体层，韧性有可能变差。

在专利文献4记载的技术中，存在如下课题：在下焊层中使用纯铁或在铁中加入了Mn等的低合金钢，但由于该部分的12%铬的涡轮轴的金属被稀释，结果，在中间层中形成了部分强度弱的部分。

在专利文献5的技术中，在焊接材料中加入用作脱氧材料的Al、Ti、Zr的至少一种，但在通过埋弧焊进行堆焊的情况下，焊渣的剥离性变差，焊渣容易卷入到多道焊接部中。

然而，在专利文献6中记载了担心埋弧焊中会卷入焊渣而通过TIG焊接来进行，这与本申请的主旨不同。进而，在TIG焊接中，由于焊接熔透率小，因此，焊接金属往往不易被母材稀释，且在焊接材料中不含V。

本发明正是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种提高与轴颈部焊接的熔敷金属的强度，并改善接合部的疲劳特性及接合韧性的9～12%Cr钢制涡轮机转子的制造方法及通过该方法制造的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部。

解决课题的手段

根据上述目的的第一发明的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法，包括以下工序：

第一工序，在相当于9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部的部位形成坡口面；

第二工序，在所述坡口面上使用第一焊接材料通过单道焊形成下焊层，所述第一焊接材料含有C：0.10～0.25重量%、Si：0.20～0.80重量%、Mn：1.0～2.5重量%、Ni：0.4～1.0重量%、Cr：1.0～3.0重量%、Mo：0.2～1.5重量%、V：0.03～0.10重量%，且余量由Fe以及P：0.015重量%以下和S：0.010重量%以下的不可避免的杂质组成；和

第三工序，在所述下焊层上使用第二焊接材料通过多道焊形成上焊层，所述第二焊接材料含有C：0.10～0.25重量%、Si：0.20～0.80重量%、Mn：1.0～2.5重量%、Ni：0.4～1.0重量%、Cr：1.0～3.0重量%、Mo：0.2～1.5重量%，且余量由Fe以及P：0.015重量%以下和S：0.010重量%以下的不可避免的杂质组成；和

第四工序，对形成了所述上焊层的所述轴颈部实施除去应力的热处理，

在焊接所述下焊层的第一焊接材料中含有所述重量%的V，抑制在所述应力除去后的接合部附近的熔敷金属上的铁素体组织的生成，并进行均匀的回火以促进马氏体组织和贝氏体组织的生成。

在第一发明的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法中，所述第一焊接材料中含有的Mn更优选在1.25～2.5重量%的范围内。

在第一发明的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法中，在所述第四工序的除去应力的热处理后，进行机械加工，进一步对进行了除去应力的热处理的部分进行用于降低残留应力的滚压加工。

发明效果

根据本发明，可以制造提高与轴颈部焊接的熔敷金属的强度，并且改善接合部的疲劳特性和接合韧性的9～12%Cr钢制涡轮机转子。

附图说明

图1A为通过本发明一实施例的9～12%Cr钢制涡轮机转子的制造方法制造的涡轮机转子的外形图；

图1B是表示通过相同制造方法制造的9～12%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部的剖面的说明图；

图2是通过相同制造方法制造的9～12%Cr钢制涡轮机转子的试件的说明图；

图3是通过相同制造方法制造的9～12%Cr钢制涡轮机转子上堆焊的接合部附近的显微组织照片及其说明图，（A）是关于试验编号2的显微组织照片及其说明图，（B）是关于试验编号13的显微组织照片及其说明图。

具体实施方式

接着，参照附图对将本发明具体化的实施例进行说明，以供理解本发明。予以说明，在各图中，与说明不相关的部分有时省略图示。另外，金属的成分组成的比例（%）表示重量%。

本发明人等在组合由焊接材料焊接于轴颈部的焊接熔敷金属的成分组成、焊接方法以及之后的除去应力的热处理等的各种焊接施工条件下尝试实验。其结果可知，特别是通过在轴颈部的内层的焊接熔敷金属中含有少量的Ni和/或Cr等合金成分，进而含有少量的V成分，可抑制接合部（焊接熔敷金属部与作为母材的涡轮机转子的坯料的边界部分）的Cr碳化物析出以及因铁C的减少而容易生成的铁素体组织，可制造出具有高疲劳特性和高接合韧性的9～12%Cr钢制涡轮机转子。

以下，对于基于上述认识而得到的本发明一实施例的9～12%Cr钢制涡轮机转子10（参照图1A）的制造方法，对各工序进行详细的说明。

（工序P1）

将用电炉或其它熔化炉熔炼成通常使用的9～12%Cr钢的成分组成的钢液铸造成钢块。然后，将铸造的钢块锻造为涡轮机转子形状。对通过锻造加工成型为制品形状的9～12%Cr钢制涡轮机转子的坯料实施调质热处理。

（工序P2）

将加工成型为制品形状的坯料的相当于9～12%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部J的部分仅切削预先确定的量，沿着外周面形成坡口面GF（参照图1B）。即，在相当于9～12%Cr钢制涡轮机转子的坯料的轴颈部的部位形成坡口面GF。坡口面GF优选通过机械切削加工来成型。

（工序P3）

通过埋弧焊或惰性气体保护电弧焊等对加工成美丽的焊接表面的轴颈部J的坡口面GF实施限定为预先确定的成分组成的第一焊接材料（焊接熔敷金属）的单道焊。

通过使用含有少量V的第一焊接材料的单道焊，可以抑制来自坯料（高Cr的母材）的Cr的稀释，并且可以抑制Cr碳化物析出、并抑制因铁C的减少而容易生成的铁素体组织。

另外，由第一焊接材料焊上的焊接熔敷成分可以提高疲劳强度、接合部BND的韧性及耐焊接开裂敏感性。

通过实施单道焊，在坡口面GF的上侧形成下焊层LL。

在此，第一焊接材料如以下说明的那样含有C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo和V。

C从确保轴颈部J的强度的观点考虑是有用的成分。但是，若C的含量低于0.10%，则无法得到足够的强度。相反，若C超过0.25%而过量地含有，则Cr碳化物在接合部BND中析出，接合韧性下降，而且焊接开裂敏感性提高。

因此，C的含量优选限定为0.10～0.25%。

Si作为提高由第一焊接材料焊上的焊接熔敷金属的流动性且抑制气孔及焊渣卷入等焊接缺陷的有效成分，含有0.20%以上。但是，若Si超过0.80%而过量地含有，则与C成分过量含有的情况同样，导致接合韧性下降。

因此，Si的含量优选限定为0.20～0.80%。

Mn是确保接合部BND的焊缝强度的有效成分，其含量需要为1.0%以上。但是，若Mn超过2.5%而过量地含有，则与C成分过量含有的情况同样，存在接合韧性下降、且焊接开裂敏感性提高的问题。

因此，Mn的含量优选限定为1.0～2.5%。进而，为了得到良好的焊接金属，Mn的含量优选设定为1.25～2.5%。

Ni是提高接合部BND的强度和韧性的有效成分。为此，需要含有0.4%以上的Ni。相反，若Ni超过1.0%而过量地含有，则焊接开裂敏感性提高，接合韧性饱和。另外，若过量地含有Ni，则在经济上也造成浪费。

因此，为了得到作为本实施例目的的接合部BND的韧性，Ni的含量优选限定为0.4～1.0%。

Cr作为单独地或在焊接熔敷金属WM的熔融状态时与其它元素键合而形成微细的金属间化合物粒子而提高强度并提高接合韧性的有效成分，含有1.0%以上。但是，若Cr的含量超过3.0%，则在涡轮机工作时的轴颈部J中容易引起烧结现象。

因此，Cr的含量优选限定为1.0～3.0%。

Mo是用于提高接合部BND的强度且在后续的工序P6中实施除去应力的热处理时进行回火以提高软化抗力并维持高强度的有效成分。为了发挥该效果，Mo的含量需要为0.2%以上。但是，若Mo的含量超过1.5%，会导致接合韧性下降。

因此，Mo的含量优选限定为0.2～1.5%。

V是在下焊层LL的焊接作业中最重要的成分。V是在不使焊接熔敷金属WM的韧性下降的情况下提高强度，并在之后的工序P6中实施除去应力的热处理时抑制在接合部BND中优先析出的铁素体组织的生成并进行均匀的回火以生成马氏体组织和贝氏体组织的有效成分。其结果，可得到实施应力除去热处理后的轴颈部J的接合韧性和疲劳强度显著提高的作用效果。该作用效果在V成分的含量为0.03～0.10%的情况下得到。在V超过0.10%而过量地含有的情况下，焊接开裂敏感性提高。

因此，V的含量优选为0.03～0.10%。V的含量更优选为0.04～0.08%。

第一焊接材料的余量由Fe以及含有P和S的不可避免的杂质组成。P和S是使接合韧性显著劣化的不可避免的杂质。因此，优选尽可能地降低P和S的含量。具体而言，P的含量优选为0.015%以下。S的含量优选为0.010%以下。

（工序P4）

经过工序P3后，在下焊层LL上，使用第二焊接材料，通过上述埋弧焊等焊接法实施多层堆焊（多道焊）直至达到预先确定的外径。

通过实施多道焊，在下焊层LL上形成上焊层LU。

在此，第二焊接材料除了不含V成分以外使用与第一焊接材料的成分组成相同的焊接材料，使得在下焊层LL侧的焊接熔敷金属WM的部分不会产生强度梯度。即，第二焊接材料在不含V成分这一点上与第一焊接材料不同。这是因为第二层以后没有来自母材的Cr的稀释，在除去应力的热处理后不会生成铁素体组织的缘故。

予以说明，也可以在上焊层的焊接材料中含有V。即，也可以使用第一焊接材料形成上焊层。在上焊层侧的焊接材料中含有V的情况下，可以提高上焊层LU的焊接金属部的强度。

（工序P5）

将工序P4中进行了外周焊接的轴颈部J切削加工成预先确定的制品尺寸（外径）。

（工序P6）

为了使因残留应力而降低的疲劳特性及接合韧性恢复，对轴颈部J实施温度700℃以下的除去应力的热处理，所述残留应力是受到骤热骤冷的焊接热循环而产生的。

如上所述，经过工序P1～P6制造轴颈部J的疲劳特性和接合韧性优异的9～12%Cr钢制涡轮机转子。

予以说明，进行轴颈部的除去应力的热处理后，也可以进行机械加工制成规定尺寸。进而，进行机械加工后，也可以对轴颈部进行滚压加工，对轴颈部进行因残留应力降低而带来的材质改善。

接着，对同一9～12%Cr钢制涡轮机转子进行各种试验。基于该试验，说明本发明的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法的作用效果。

首先，制造图2所示的相当于11%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部的试件20。作为轴颈部的试件20的外周直径为375mm。试件20的长度为400mm。试件的制造方法如下所述。

将试件20的外周面切削加工成直径335mm，形成坡口面GF。对该坡口面GF通过埋弧焊进行单道焊以形成下焊层LL，在其下焊层LL的上侧进行多道焊直至切削加工前的原来的外周面，以形成上焊层LU。

通过变更焊接材料来制作多个试件20，分别设为对应于试验编号1～13的试件20。

具体而言，对试验编号1～4，分别使用成分比例不同的第一焊接材料作为下焊层用的焊接材料，分别使用成分比例不同的第二焊接材料作为上焊层用的焊接材料。

对试验编号5～8，分别使用成分比例不同的第一焊接材料作为下焊层用的焊接材料，使用相同的第一焊接材料作为上焊层用的焊接材料。

对试验编号9～13，分别使用与第一及第二焊接材料不同的焊接材料作为下焊层用的焊接材料及上焊层用的焊接材料。

对各试验编号，将由下焊层用的焊接材料及上焊层用的焊接材料焊接的焊接熔敷金属WM的成分组成示于表1。

对于试验编号1～4，作为焊接熔敷金属WM的成分组成，在下焊层中添加V，在上焊层中未添加V。

对于试验编号5～8，作为焊接熔敷金属WM的成分组成，在下焊层中添加V，在上焊层中也添加V。

对于作为比较例的试验编号9～13，焊接熔敷金属WM的成分组成与第一及第二焊接材料的成分组成不同。

[表1]

对制造的各试件20实施640℃×15小时的除去应力的热处理。然后，从图2所示的位置采集堆焊金属部拉伸试验片S1、接合部边界的冲击试验片S2及旋转弯曲疲劳试验片S3。堆焊金属部拉伸试验片S1及旋转弯曲疲劳试验片S3包含接合部BND的边界。

对各试验片S1～S3进行常温拉伸试验、接合冲击试验及疲劳试验。

常温拉伸试验合格的判定标准为：0.2%屈服强度为550MPa以上，且拉伸强度为650MPa以上。

接合冲击试验合格的判定标准为：常温的吸收能量为25J以上。

疲劳试验合格的判定标准为：在旋转弯曲疲劳试验中1×10⁷次循环中的疲劳极限应力为400MPa以上。

将各试验结果示于表2。表2中，对于各试验，将合格的试验片标记为○。将不合格的试验片标记为×。

[表2]

如表2所示，作为本实施例的试验编号1～4及试验编号5～8的焊接熔敷金属部的拉伸强度、接合韧性及疲劳强度特性均满足判定标准。

另一方面，作为比较例的试验编号9～13的拉伸强度、接合韧性及疲劳强度特性中的至少1个特性不满足判定标准。

接着，对比较例的试验编号13的试件的接合部附近的显微组织照片（图3（B）上图）及其说明图（图3（B）下图）、以及本发明实施例的试验编号2的试件的接合部附近的显微组织照片（图3（A）上图）及其说明图（图3（A）下图）进行说明。

如试验编号13的试件那样，在下焊层用的焊接材料中未添加V的情况下，下焊层第一层由于高Cr转子母材侧的Cr的稀释，在接合边界的焊接金属侧产生高Cr区域，通过除去应力的热处理，焊接金属铁的C作为Cr碳化物析出。其结果，铁的C降低，生成铁素体组织（参照图3（B））。

但是，如试验编号2的试件那样，在下焊层用的焊接材料中添加V的情况下，通过除去应力的热处理，在接合边界的焊接金属侧，V碳化物比Cr碳化物优先析出。因此，可抑制铁素体组织的生成，进行均匀的回火，可得到马氏体组织和贝氏体组织（参照图3（A））。

由本发明实施例表明，9～12%Cr钢制涡轮机转子的经堆焊的轴颈部J的0.2%屈服强度和拉伸强度高，而且，堆焊的接合部的冲击值及疲劳强度也高。

如上所述，根据本发明实施例的制造方法，可以制造提高与轴颈部焊接的熔敷金属的强度，同时改善接合部的疲劳特性和接合韧性的9～12%Cr钢制涡轮机转子。

因此，通过本发明实施例的制造方法制造的9～12%Cr钢制涡轮机转子10例如作为已经工作的火力发电站的蒸汽涡轮机转子，具有可耐受长时间工作的寿命。进而，例如9～12%Cr钢制涡轮机转子10可用于在高温高压的运转条件下使用的蒸汽涡轮机。

予以说明，本发明并不限定于上述实施例，可以在不改变本发明主旨的范围内进行变更。例如组合上述实施例或变形例的一部分或全部而构成发明的情况也包含在本发明的技术范围内。

符号说明

10：9～12%Cr钢制涡轮机转子，20：试件，BND：接合部，GF：坡口面，J：轴颈部，LL：下焊层，LU：上焊层，S1：堆焊金属部拉伸试验片，S2：接合部边界的冲击试验片，S3：旋转弯曲疲劳试验片，WM：焊接熔敷金属

Claims

1.9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法，其特征在于，包括以下工序：

在焊接所述下焊层的第一焊接材料中含有所述重量%的V，抑制在所述应力除去后的接合部附近的熔敷金属上铁素体组织的生成，并进行均匀的回火以促进马氏体组织和贝氏体组织的生成。

2.权利要求1所述的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法，其特征在于，所述第一焊接材料中含有的Mn在1.25～2.5重量%的范围内。

3.权利要求1所述的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法，其特征在于，在所述第四工序的除去应力的热处理后，进行机械加工，再对进行了除去应力的热处理的部分实施滚压加工。

4.9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的轴颈部，其特征在于，抑制在通过权利要求1～3任一项所述的9～12重量%Cr钢制涡轮机转子的制造方法焊接的具有所述下焊层和所述上焊层的焊接接合部附近的熔敷金属上铁素体组织的生成，并进行均匀的回火以促进马氏体组织和贝氏体组织的生成。