CN103857491A - 高Cr钢制涡轮转子的初层或上层焊接部、该焊接部用堆焊材料以及该堆焊部的制造方法 - Google Patents

高Cr钢制涡轮转子的初层或上层焊接部、该焊接部用堆焊材料以及该堆焊部的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在高Cr钢涡轮转子的轴承接触面上形成的堆焊部的初层含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.5%、Cr：4.0～7.7%和Mo：0.5～1.5%，余量为Fe以及不可避免的杂质的多层堆焊部、上层焊接部含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～2.5%、Cr：1.0～4.0%和Mo：0.5～1.5%的多层堆焊部以及用于上述多层堆焊部的焊接材料和多层堆焊部的制造方法。

Description

高Cr钢制涡轮转子的初层或上层焊接部、该焊接部用堆焊材料以及该堆焊部的制造方法
技术领域
本发明涉及在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触的面上形成含Cr钢堆焊的多层堆焊。
背景技术
高Cr钢由于高温强度、低温韧性优良，因此，作为发电机的高压、中压涡轮转子原材料的使用正不断扩大。然而，对于高Cr钢制的涡轮转子的轴承接触面而言，使用中容易在轴承上发生烧结，有可能导致损伤。因此，提出了在转子的轴承部堆焊低合金钢来防止发生烧结的方法(例如参考专利文献1)。
以往，对于这种堆焊，主要开发了用于埋弧焊的焊接材料和焊接方法。
例如，专利文献2提出了适用于涡轮转子的轴颈部的焊接材料，考虑到焊接残余应力，公开了初层焊接材料使用与上层的低合金钢和转子基材相比更低强度并且线膨胀系数更大的焊接材料。
另外，专利文献3中记载的发明中，以增加疲劳强度为目的试图减轻强度差异。专利文献4中公开了通过在初层中使用Cr量高的焊接材料来实现疲劳强度提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭57-137456号公报
专利文献2：日本特开平6-272503号公报
专利文献3：日本特开平9-76091号公报
专利文献4：日本特开平9-066388号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在专利文献2中记载的用于初层焊接材料的焊接材料中不包含Cr，因此，根据上层的强度，消除应力退火时在推力部等形状不连续部的初层上产生应变的集聚，根据情况有可能产生裂纹等缺陷。
另外，专利文献3中记载的发明中通过利用规定的初层Cr量1.0%的焊接材料的施工，有可能使焊接部Cr含量降低，而且，在焊接后的消除应力退火时由于母材与焊接金属的Cr量之差，产生C等的扩散，焊接金属侧的强度可能降低。
由此可见，现有技术中，与转子基材接触的焊接材料的Cr含量低，并且没有考虑到转子基材、初层、上层的强度平衡，因此，由焊接产生的残余应力高。另外，在由于形状而容易产生应力集中的推力部等形状不连续部，有可能产生缺陷。专利文献4中，虽然在初层中使用Cr量高的焊接材料，但预测由于基于转子母材的成分而由焊接引起的成分稀释，消除应力退火裂纹敏感性提高，因此，具有改善的余地。
因此，本发明的目的在于，提供用于满足高Cr钢制涡轮转子轴承部所要求的强度和韧性、并且避免消除应力退火时的裂纹的初层或上层用堆焊材料的组合以及由此得到的初层或上层焊接部以及多层堆焊部的制造方法。
用于解决问题的方法
即，第一发明涉及在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部中的初层焊接部，其特征在于，以重量%计含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.5%、Cr：4.0～7.7%和Mo：0.5～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质相对于上述初层焊接部以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.2%以下、Ni：0.3%以下、Co：1.5%以下、B：0.005%以下、W：1.5%以下和Nb：0.07%以下。
第二发明涉及在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部中的初层焊接部，其特征在于，在上述第一发明中，满足下式(1)。
Pcr(1)=(初层焊接部中的Cr量)×0.65-(高Cr钢制涡轮转子的Cr量-初层焊接部中的Cr量)×0.35＞0.7  …(1)
第三发明涉及用于得到在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部中的上述第一发明或第二发明的初层焊接部的初层焊接部用堆焊材料，其特征在于，以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.2%、Cr：2.0～5.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质相对于上述初层焊接部用焊接材料以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
第四发明涉及在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部中在上述第一或第二发明的初层焊接部上形成的上层焊接部，其特征在于，以重量%计含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～2.5%、Cr：1.0～4.0%和Mo：0.5～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质相对于上述上层焊接部以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.15%以下、Ni：0.3%以下和Nb：0.07%以下。
第五发明涉及高Cr钢制涡轮转子的上层焊接部，其特征在于，在上述第四发明中，该上层焊接部中含有的V量少于上述第一或第二发明的初层焊接部中含有的V量。
第六发明涉及高Cr钢制涡轮转子的上层焊接部，其特征在于，在上述第四或第五发明中，满足下式(2)。
Pcr(n)=(第n层上层焊接部中的Cr量)×0.65-{第(n-1)层上层焊接部中的Cr量-第n层上层焊接部中的Cr量}×0.35＞0.7  …(2)
其中，N表示构成多层堆焊部的层的数目，2≤n≤N。
第七发明涉及用于得到在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部的初层焊接部上形成的、上述第四～第六发明中任意一个发明的上层焊接部的上层焊接部用堆焊材料，其特征在于，以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～3.0%、Cr：1.0～2.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质相对于上述上层焊接部用堆焊材料以重量%计为P：0.015%以下，S：0.015%以下，Cu：0.2%以下，V：0.1%以下以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
第八发明涉及高Cr钢制涡轮转子的多层堆焊部的制造方法，其特征在于，在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上，通过使用初层焊接部用堆焊材料的焊接，形成上述第一或第二发明的初层焊接部，所述初层焊接部用堆焊材料以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.2%、Cr：2.0～5.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质相对于初层焊接部用堆焊材料以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上，
在上述形成的初层焊接部的上层，通过使用上层焊接部用堆焊材料的焊接，形成上述第四～第六发明中任意一个发明的上层焊接部，所述上层焊接部用堆焊材料以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～3.0%、Cr：1.0～2.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，上述不可避免的杂质相对于上层焊接部用堆焊材料以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下、以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
发明效果
通过本发明的上层焊接部，在初层与上层的界面部不会生成铁素体，而且能够抑制消除应力退火裂纹，能够在满足轴承部所要求的强度和韧性的同时防止轴承的烧结。
另外，通过使上述第一发明和第二发明的初层焊接部与上层焊接部组合，优化了母材、初层、上层的强度平衡，能够防止消除应力退火时应变向初层的集中。由此，即使是对于焊接时的残余应力大的推力部的焊接，也可以在不引起消除应力退火裂纹的情况下来进行施工。另外，由于考虑到了各层的Cr量之差，防止了初析铁素体的生成，从而能够提供稳定品质的堆焊强化型高Cr钢制涡轮转子。
附图说明
图1是表示本发明中的高Cr钢制涡轮转子的概况的侧视图。
图2是表示在进行初层焊接部或上层焊接部中的特性评价时测定的、分析部位以及高温低应变速度拉伸试验片的裁取位置的示意图。
图3是表示使用Cr变动材料的高温低应变速度拉伸试验的Cr量与拉深的关系的曲线图。
图4(a)～(d)是表示对初层焊接部的消除应力退火裂纹敏感性进行评价的抗环裂试验片（リング割れ試験片）的示意图。图4(a)是表示用于该试验的试验片裁取位置的图。图4(b)是该试验片的侧视图。图4(c)是该试验片的正视图。图4(d)是图4(c)中的A部的放大图。图4(a)～(d)中的尺寸的值的单位为mm。
图5是表示在进行该抗环裂试验时、对U切口底部赋予拉伸残余应力的步骤的示意图。
图6是表示高温低应变速度拉伸试验片形状的示意图。图6中的尺寸的值的单位为mm。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行详细地说明，但本发明不限定于这些，可以进行任意地变形来实施。
<初层焊接部＞
本发明的初层焊接部的成分以重量%计含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.5%、Cr：4.0～7.7%和Mo：0.5～1.5%，余量为Fe和不可避免的化合物。以下说明这些成分的意义，通过为该组成，能够将母材与堆焊初层间、或其后的堆焊层中的强度差异抑制为实用上没有问题的程度，抑制初层中的消除应力退火裂纹。需要说明的是，以下的含量均由重量%表示。
C：0.05～0.2%
从确保焊接部的拉伸强度的观点出发，C为必要的添加元素，因此，将0.05%设为下限。另一方面，从冲击值的降低、焊接裂纹敏感性的上升的观点出发，将0.2%设为上限。
Si：0.1～1.0%
Si作为脱氧剂或者用于确保强度所必须的元素，因此，将0.1%设为下限。但是，Si的过量含有助长消除应力退火裂纹等裂纹，而且还导致韧性的降低，因此，将1.0%设为上限。需要说明的是，出于同样的理由，下限优选设为0.25%，上限优选设为0.7%。
Mn：0.3～1.5%
Mn与Si同样地作为脱氧剂或者是用于确保强度所必须的元素，因此，将0.3%设为下限。但是，Mn的过量含有导致韧性的降低，因此，将1.5%设为上限。需要说明的是，出于同样的理由，上限优选设为1.2%，进一步优选设为1.0%。
Cr：4.0～7.7%
Cr在确保强度和韧性方面是重要的元素，抑制应变向初层的的集中，并且抑制与母材的Cr差，防止铁素体的生成，因此，将4.0%设为下限。但是，Cr的过量含有提高淬透性，焊接裂纹敏感性增高，因此，将7.7%设为上限。需要说明的是，出于同样的理由，优选将上限设为6.7%。
Mo：0.5～1.5%
Mo在消除应力退火中作为碳化物析出，提高抗回火软化，因此，在得到消除应力退火后的强度的方面是重要的元素，为了抑制消除应力退火时的应变的集中，将0.5%设为下限。但是，Mo的过量含有提高裂纹性，而且导致韧性的降低，因此，将1.5%设为上限。需要说明的是，出于同样的理由，优选将上限设为1.0%。
初层焊接部的必须构成元素如上所述。另外，余量实质上为Fe以及由来自母材的稀释等产生的不可避免的杂质。作为该不可避免的杂质，相对于整个初层焊接部以重量%计可以含有P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.2%以下、Ni：0.3%以下、Co：1.5%以下、B：0.005%以下、W：1.5%以下和Nb：0.07%以下。以下，说明其理由。
P：0.015%以下
P是在熔炼金属材料时从原料等混入的杂质元素，有可能使韧性降低，因此，优选尽可能降低。因而，P的含量设为0.015%以下。
S：0.015%以下
S也与P同样地是熔炼金属材料时从原料等混入的杂质元素，有可能使韧性降低，因此，优选尽可能降低。因而，S的含量设为0.015%以下。
Cu：0.2%以下
Cu有可能使焊接部的韧性降低，因此，将含量的上限设为0.2%以下。
V：0.2%以下
V提高抗回火软化性，作为用于得到消除应力退火后的强度的元素是公知的。但是，由本发明人的研究明确，V使消除应力退火裂纹敏感性极端上升。因此，V的含量将0.2%设为上限，优选将上限设为0.1%。
Ni：0.3%以下
Ni的过量含有可能引起回火脆化，因此，Ni的含量将0.3%设为上限。
Co：1.5%以下
在母材中包含Co的情况下，限于来自焊接时的母材的稀释/融合引起的提高部分，将Co含量的上限设为1.5%。
B：0.005%以下
W：1.5%以下
Nb：0.07%以下
这些成分通常作为使消除应力退火时的抗回火软化性提高、确保室温强度的元素公知。但是，由本发明人的研究明确，过量含有时韧性降低，而且焊接性也变差。因此，关于这些成分的含量，本发明中将上限值分别限定为上述值。
关于本发明的初层焊接部中含有的Cr量，优选满足下述式(1)。
Pcr(1)=(初层焊接部中的Cr量)×0.65-(高Cr钢制涡轮转子的Cr量-初层焊接部中的Cr量)×0.35＞0.7  …(1)
初层焊接部的Cr含量多，并且与高Cr钢制涡轮转子的Cr量之差越小，越能抑制消除应力退火时的铁素体生成。通过使由上述式(1)表示的Pcr(1)值为超过0.7的值，母材-初层焊接部界面的铁素体生成得以抑制，得到稳定品质的堆焊强化型高Cr钢制涡轮转子。需要说明的是，上述式(1)中的Cr量均由重量%表示。
<初层焊接部用焊接材料＞
得到上述初层焊接部的焊接材料，在母材上进行堆焊时在与母材之间发生成分的稀释，另外，在与焊接于上层的上层焊接部之间也发生成分的稀释。邻接的层之间在焊接时一部分发生融合，成分从成分浓度高的层移动至成分浓度低的层，由此，发生成分的稀释。需要说明的是，母材只要为通常用于火力发电用涡轮转子的高Cr钢即可，特别优选为12Cr钢，更优选为进一步添加了W、Co、B的被称为新12Cr钢的材料。
初层焊接部用焊接材料是考虑到上述的稀释化、为了得到上述初层焊接部组成而规定的。由此，能够发挥上述初层焊接部的作用效果。
通过将该初层焊接部用焊接材料作为高Cr转子基材中的堆焊初层使用，能够将母材与堆焊初层间、或其之后的堆焊层中的强度差异抑制为实用上没有问题的程度，从而抑制初层中的消除应力退火裂纹。另外，初层焊接部以满足上述式(1)的方式对焊接材料抑制母材与初层焊接金属的Cr含量差，由此，能够抑制铁素体的生成。
具体而言，本发明的初层焊接部用焊接材料以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.2%、Cr：2.0～5.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成。上述不可避免的杂质相对于上述初层焊接部用焊接材料优选为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下、以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
以下，对各成分具体进行说明。
C：0.03～0.2%
本发明的初层焊接部的C含量的范围为0.05～0.2%，有时母材成分超过上述初层焊接部的C含量范围的上限。如果考虑在焊接时的与母材成分的稀释/融合，则为了初层焊接部的C含量达到上述范围，将焊接材料中的C含量的下限值设为0.03%，考虑到焊接操作性等，优选将上限值设为0.2%。
Si：0.1～1.0%
本发明的初层焊接部的Si含量的范围为0.1～1.0%，如果考虑在焊接时的与母材成分的稀释/融合，则为了使初层焊接部的Si含量为上述范围，焊接材料中的Si含量优选为0.1～1.0%的范围。
Mn：0.3～1.2%
本发明的初层焊接部的Mn含量的范围为0.3～1.5%，有时母材成分超过上述初层焊接部的Mn含量范围的上限。如果考虑在焊接时的与母材成分的稀释/融合，则为了确保作为脱氧材料的效果，焊接材料中的Mn含量的下限为0.3%，为了不超过初层焊接部的成分范围上限，上限优选为1.2%。
Cr：2.0～5.5%
本发明的初层焊接部的Cr含量的范围为4.0～7.7%，如果考虑与Cr含量高的母材成分的焊接时的稀释/融合，则为了得到初层焊接部的成分范围，焊接材料中的Cr含量优选为2.0～5.5%的范围。
Mo：0.1～1.5%
本发明的初层焊接部的Mo含量范围为0.5～1.5%，如果考虑与母材成分的焊接时的稀释/融合，则为了得到初层焊接部的成分范围，焊接材料中的Mo含量优选为0.5～1.5%的范围。
作为该焊接材料中含有的杂质，可以列举P、S、Cu、V、Ni、Nb、Ti、W、Co、B等。
作为本发明中规定的初层焊接部的杂质，允许P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下。这些对于焊接部、母材而言均为使机械性质、焊接性变差的成分，在初层用焊接材料中也优选与初层焊接部相同的成分范围。
V：0.1%以下
V为母材中含有的成分，但为了得到本发明的初层焊接部的范围0.2%以下，如果考虑焊接时的稀释/融合，则焊接材料中的V含量优选0.1%以下。
总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上
Ni、Nb为母材中含有的元素，为了得到作为本发明的初层焊接部的范围的Ni：0.3%以下、Nb：0.07%以下，如果考虑焊接时的稀释/融合，则焊接材料中的含量优选尽可能低。
另外，Ti为通常母材中几乎不含有的元素，但如果在焊接部残留，则使非金属夹杂物的生成增加，因此，焊接材料中的含量优选尽可能低。因此，选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上的总和优选为0.2%以下。
W、Co、B为母材中可能含有的成分，但为了得到作为本发明的初层焊接部的范围的W：1.5%以下、Co：1.5%以下、B：0.005%以下，在利用通常的焊接材料的制造方法而不可避免地含有的范围内优选尽可能低。
<上层焊接部＞
构成本发明的上层焊接部的成分以重量%计含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～2.5%、Cr：1.0～4.0%和Mo：0.5～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
以下，对规定本发明的上层焊接部的成分的理由进行说明。需要说明的是，以下的含量均由重量%表示。
C：0.05～0.2%
在对轴承面赋予必要的强度的方面，C为必要的添加元素，因此，将0.05%设为下限。但是，超过0.2%的含有降低冲击值，焊接裂纹敏感性增高，因此，将0.2%设为上限。
Si：0.1～1.0%
与初层堆焊金属中所示同样，Si作为脱氧剂或者用于确保强度所必须的元素，因此，其含量将0.1%设为下限。但是，过量含有助长消除应力退火裂纹等裂纹，而且导致韧性的降低，因此，将1.0%设为上限。需要说明的是，出于同样的理由，优选下限为0.3%、上限为0.7%。
Mn：0.3～2.5%
Mn与Si同样地作为脱氧剂或者用于确保强度所必须的元素，因此，将0.3%设为下限。但是，过量含有导致韧性的降低，因此，将2.5%设为上限。需要说明的是，出于同样的理由，优选下限为0.7%、上限为2.0%，进一步优选下限为1.0%。
Cr：1.0～4.0%
Cr在确保强度和韧性方面是重要的元素，并且抑制与初层的Cr差，防止铁素体的生成，因此，将1.0%设为下限。但是，超过4.0%时，强度变得过高，应变集聚于初层，在消除应力退火时产生裂纹，因此，将上限设为4.0%。
Mo：0.5～1.5%
Mo在消除应力退火中作为碳化物析出，提高抗回火软化，因此，在得到消除应力退火后的强度的方面是重要的元素，为了抑制消除应力退火时的应变的集中，将0.5%设为下限。但是，过量含有提高消除应力退火裂纹敏感性，另外，导致韧性的降低，因此，将1.5%设为上限。
上层焊接部的必须构成元素如上所述，余量实质上由Fe构成，但在不阻碍上述特性的范围内可以进一步含有微量的S、P、Ni等不可避免的杂质。通过将上述上层焊接部作为高Cr钢制涡轮转子基材中的堆焊上层使用，耐烧结性优良，并且抑制初层与上层焊接部的Cr含量差，由此能够抑制铁素体的生成。
需要说明的是，作为该不可避免的杂质，相对于上述上层焊接部以重量%计可以含有P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.15%以下、Ni：0.3%以下、以及Nb：0.07%以下。以下详细进行说明。
P：0.015%以下
P是在熔炼金属材料时从原料等混入的杂质元素，有可能使韧性降低，因此，优选尽可能降低。因此，P的含量设为0.015%以下。
S：0.015%以下
S也是在熔炼金属材料时从原料等混入的杂质元素，有可能使韧性降低，因此，优选尽可能降低。因此，S的含量设为0.015%以下。
Cu：0.2%以下
Cu有可能使焊接部的韧性降低，将上限设为0.2%以下。
V：0.15%以下
V是提高抗回火软化性、用于得到消除应力退火后的强度的元素。另一方面，在重视防止应力退火裂纹的情况下，限制V的含有。V由于提高抗回火软化性，因此引起应变向初层集中，有时在应力退火时产生裂纹。为了避免该情况，将V含量设为0.15%以下。
需要说明的是，通过在上层第1层使用V含量低的焊接材料而使该焊接部的V含量为0.15%以下，避免应力退火裂纹，上层第2层以后或至少上层的最表面即制品表层部的焊接部可以组合使用使V含量为0.15～0.3%等的含有超过0.15%的V的焊接材料。此时，为了防止烧结，制品表层部的焊接部的Cr含量优选为2.5%以下。Cr量和烧结发生的机理尚不明确，但经验上Cr量超过2.5%时，发生烧结的风险增高，这在本领域技术人员中是众所周知的。
另外，从不引起初层中过度的应力集中的方面出发，优选上层焊接部中含有的V的量少于初层焊接部中含有的V的量。
Ni：0.3%以下
Ni的过量含有有可能引起回火脆化，将0.3%设为上限。
Nb：0.07%以下
Nb通常使消除应力退火时的抗回火软化性提高，是确保室温强度的元素，但过量含有时韧性降低，另外，焊接性也有可能变差，因此，本发明中，将上限限定为0.07%。
上层焊接部中含有的Cr量优选满足下述式(2)。
Pcr(n)=(第n层上层焊接部中的Cr量)×0.65-{第(n-1)层上层焊接部中的Cr量-第n层上层焊接部中的Cr量}×0.35＞0.7  …(2)
其中，N表示构成多层堆焊部的层的数目，2≤n≤N。
考虑到第n层上层焊接部中的Cr量与第(n-1)层上层焊接部中的Cr量之差，通过使由上述式(2)表示的Pcr(n)为超过0.7的值，能够抑制各层界面的铁素体生成。需要说明的是，Pcr(2)表示满足位于第1层即初层焊接部之上的第2层的上层(上层中第1层)的式(2)的计算值，此时，在式(2)中，第(n-1)层上层焊接部相当于初层焊接部。需要说明的是，上述式中的Cr量均由重量%表示。
<上层焊接部用堆焊材料＞
用于得到上述上层焊接部的堆焊材料，是考虑到在初层焊接部上进行上层焊接时在与初层焊接部之间发生成分的稀释而引起的组成变动，为了得到上述上层焊接部组成而进行规定的。通过使用该堆焊材料的焊接，得到上述上层焊接部，能够发挥满足强度和韧性，并且避免消除应力退火时的裂纹等作用效果。
具体而言，上层焊接部用堆焊材料以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～3.0%、Cr：1.0～2.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成。上述不可避免的杂质相对于上述上层焊接部用堆焊材料以重量%计优选为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下、以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
以下，对上述成分具体进行说明。
C：0.03～0.2%
本发明的上层焊接部中的C含量的范围为0.05～0.2%，如果考虑与本发明的初层焊接部中含有的C的稀释/融合，则为了不超过该上层焊接部的C成分范围的上限，优选将焊接材料中的C含量的下限设为0.03%，考虑到焊接操作性，优选将上限设为0.2%。
Si：0.1～1.0%
本发明的上层焊接部中的Si含量的范围为0.1～1.0%，如果考虑与本发明的初层焊接部中含有的Si的稀释/融合，则为了得到该上层焊接部的Si成分范围，焊接材料中的Si含量优选为0.1～1.0%的范围。
Mn：0.3～3.0%
本发明的上层焊接部中的Mn含量的范围为0.3～2.5%，如果考虑与本发明的初层焊接部中含有的Mn的稀释/融合，则为了得到该上层焊接部的Mn成分范围，焊接材料中的Mn含量优选为0.3～3.0%的范围。
Cr：1.0%～2.5%
本发明的上层焊接部中的Cr含量的范围为1.0～4.0%，如果考虑与本发明的初层焊接部中含有的Cr的稀释/融合，则为了得到该上层焊接部的成分范围，焊接材料中的Cr含量的下限以不低于上述上层焊接部的Cr含量下限的方式优选为1.0%。上限以不超过上述上层焊接部的Cr含量上限的方式优选为2.5%。
另外，为了防止烧结，上层的最表面即作为制品表层部的上层焊接部的Cr含量也优选2.5%以下，同样地作为制品表层部的上层焊接部用堆焊材料的上限也优选2.5%。
Mo：0.1～1.5%
本发明的上层焊接部中的Mo含量的范围为0.5～1.5%，如果考虑与本发明的初层焊接部中含有的Mo的稀释/融合，则为了得到该上层焊接部的成分范围，焊接材料中的Mo含量优选为0.1～1.5%的范围。
不可避免的杂质：P、S、Cu、V、Ni、Nb、Ti、W、Co、B
作为本发明的上层堆焊材料中含有的不可避免的杂质，相对于上层焊接部用堆焊材料以重量%计允许P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下。这些是使机械性质和焊接性变差的成分，优选为与本发明的上层焊接部相同的成分范围。
V：0.1%以下
V由于来自母材的稀释/融合在初层焊接部中可能含有0.2%以下的V。因此，为了得到作为本发明的上层焊接部的V含量的范围的0.15%以下，考虑到接合时的稀释/融合，焊接材料中的V含量优选0.1%以下。
总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上
Ni、Nb为母材中可能含有的元素，但为了得到作为本发明中规定的上层焊接部的范围的Ni：0.3%以下、Nb：0.07%以下，焊接材料中的Ni、Nb的含量优选尽可能低。
另外，Ti通常在母材中几乎不含有，但如果在焊接部残留，则使非金属夹杂物的生成增加，因此，同样地焊接材料中的含量越低越优选。因此，优选总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
W、Co、B通过来自母材的稀释/融合，在初层焊接部中可能以W：1.5%以下、Co：1.5%以下、B：0.005%以下的范围含有。但是，在上层焊接部中无需含有这些成分，从成本方面出发，只要在通过通常的焊接材料的制造方法不可避免地含有的范围内即可。
需要说明的是，关于焊接部的组成，由于在焊接时通常被焊接的材料的约20～约40%熔解而与焊接材料发生稀释/融合，因此，焊接材料的元素组成可以考虑该稀释/融合来确定成分。
<高Cr钢制涡轮转子＞
本申请发明中，将高Cr钢制涡轮转子作为堆焊的对象。高Cr钢制涡轮转子由高Cr钢构成，可以例示例如含有8～13%的Cr的钢。本发明中的涡轮转子的组成不限于特定的组成，只要是能够用于涡轮转子的高Cr钢即可。
需要说明的是，以下例示出代表的涡轮转子组成(重量%)。
C：0.05～0.25%、
Si：1.0%以下、
Mn：1.5%以下、
Ni：1.0%以下、
Cr：8～13%、
Mo：2.0%以下、
V：0.05～0.4%、
Nb：0.01～0.1%、
N：0.01～0.05%、
W：0.05～5.0%、
Co：0.05～5.0%、
B：0.015%以下
余量为Fe和其他杂质。
图1是表示采用本发明的堆焊材料的高Cr钢制涡轮转子1的侧面的示意图，可以例示例如含有8～13重量%的Cr的钢。
高Cr钢制涡轮转子1具有作为轴承部的轴颈部2和推力部3，在轴颈部2和推力部3的一者或两者使用本发明的焊接材料进行焊接，由此，能够形成堆焊焊接部(堆焊部)。
在堆焊部的形成时，优选形成本发明的初层焊接部，进一步使用本发明的焊接材料在上层形成上层焊接部。在上述初层、上层焊接部的形成中，为了形成稳定品质的焊接部，优选通过TIG(Tungsten InertGas)焊接或埋弧焊等进行。关于该焊接中的焊接方法、焊接条件，对于本发明而言没有特别限定，可以在公知的条件下进行公知的方法。
需要说明的是，在底层的焊接时，优选以满足下述(1)式的方式来确定初层的Cr含量。
Pcr(1)=(初层焊接部中的Cr量)×0.65-(高Cr钢制涡轮转子的Cr量-初层焊接部中的Cr量)×0.35＞0.7  …(1)
另外，在上层的焊接时，优选以满足下述(2)式的方式来确定上层的Cr含量。
Pcr(n)=(第n层上层焊接部中的Cr量)×0.65-{第(n-1)层上层焊接部中的Cr量-第n层上层焊接部中的Cr量}×0.35＞0.7  …(2)
其中，N表示构成多层堆焊部的层的数目，2≤n≤N。
实施例
以下，对本发明的实施例进行说明。
假定高Cr钢制涡轮转子，使用表1所示的成分组成(余量Fe以及不可避免的杂质)的12Cr转子基材，使用表2所示的成分组成(余量Fe以及不可避免的杂质)的堆焊焊丝作为实施例或比较例的初层焊接部用焊接材料，另外，使用表3所示的成分组成(余量Fe以及不可避免的杂质)的堆焊焊丝作为实施例或比较例的上层焊接部用堆焊材料。
对于转子基材的成分分析，从任意的部位裁取试验片，基于JIS G1253(2010)的规定进行。作为初层焊接部用或上层焊接物用堆焊材料的堆焊焊丝的成分分析基于JIS Z3317(2010)的规定进行。
使用上述焊接材料，通过表4所示的焊接条件的TIG焊接对初层、上层进行堆焊，然后，从图2所示的检查分析位置20裁取试验片，进行初层、上层焊接部的成分分析(检查分析；余量Fe以及不可避免的杂质)。各焊接部的成分分析基于JIS G1253(2010)的规定进行。
另外，如图2的α所示，从各试验材料上以初层焊接金属为中心的方式裁取拉伸试验片，在模拟消除应力退火过程的温度660℃下保持30分钟，使温度均匀后，以应变速度6.7×10-6/s进行高温低应变速度拉伸试验。评价中使用拉深值(%)。
表1
Figure BDA0000466679050000201
表2
Figure BDA0000466679050000202
表3
Figure BDA0000466679050000203
表4
Figure BDA0000466679050000211
接着，为了进行基于Cr量的消除应力退火裂纹敏感性的评价，根据焊接条件使用Cr含量改变的Cr变动材料，以应变速度6.7×10-6/s进行高温低应变速度拉伸试验。评价中使用拉深值(%)。
将初层的检查分析结果示于表5，图3中示出了高温低应变速度拉伸试验的结果得到的Cr量与拉深的相关性。随着初层焊接部的Cr量增加，拉深增加，Cr量约4.0%时拉深饱和。由该结果可知初层焊接部的Cr量需要为4.0%以上。
表5
Figure BDA0000466679050000212
接着，将堆焊后的初层焊接部的检查分析结果(余量Fe以及不可避免的杂质)示于表6，将上层焊接部的检查分析结果(余量Fe以及不可避免的杂质)示于表7。另外，将进行高温低应变速度拉伸试验的焊接组合和试验结果示于表8。
检查分析以及高温低应变速度拉伸试验通过与上述同样的方法进行。
根据表6，本发明的初层焊接部中含有的Cr为4.0～7.7重量%，相对于此，初层焊丝No.1、2以及5的Cr的含量少，在上述范围外。另外，与本发明的初层焊接部中含有的Si含量的范围相比，初层焊丝No.2的含量少，与V含量的范围相比，初层焊丝No.5的含量多。
表8中，可以认为应变向初层的集聚是消除应力退火裂纹的产生原因，因此，将初层发生破裂且破裂拉深为10%以下的情况设定为(×)，将初层发生破裂且破裂拉深大于10%且小于30%的情况设定为(△)，将上层发生破裂且破裂拉深为30%以上的情况设定为(○)。由表8可知，在满足本发明的规定要素的实施例焊丝中，上层焊接金属发生破裂，或即使初层部发生破裂但破裂拉深超过10%，也没有确认到应变向初层的集聚，或尽管确认到向初层的集聚但具有充分的破裂拉深。
表6
Figure BDA0000466679050000221
表7
表8
Figure BDA0000466679050000231
*1○：拉深≥30%、△：30%＞拉深＞10%、×：拉深≤10%
*2使来自初层的稀释量为30%的情况
Pcr(2)值：上层第1层的计算值
如初层焊接金属(初层焊丝No.6)和上层焊接金属(上层焊丝No.8)那样含有的Cr量之差大的情况下，在下述式中Pcr(2)=0.66，在焊接部的界面生成微小的铁素体。铁素体成为局部的强度降低的诱因，在消除应力退火处理中有可能引起应变的集中，因此，优选防止铁素体的生成，因而，各层的Cr量在以下所示的式中优选满足大于0.7的值。另外，根据下述式(1)，初层焊接部的Cr量只要为4.1%以上，则能够防止母材与初层的界面的铁素体的析出。
Pcr(n)=(n层金属中的Cr量)×0.65-{(n-1)层金属中的Cr量-n层金属中的Cr量}×0.35＞0.7  …(1)
其中，n=0表示母材，n=1表示初层。
接受表8的结果，通过由表2选定焊接材料的初层焊接部用焊接材料进行焊接后，进行对初层焊接部的消除应力退火裂纹敏感性进行评价的试验即抗环裂试验。将抗环裂试验片形状以及试验片的裁取位置示于图4。
图4(a)中10为12Cr转子基材，11为初层焊接部，12为抗环裂试验片。
图4(b)表示抗环裂试验片12的侧视图，图4(c)表示抗环裂试验片12的正视图。图4(d)为图4(c)中的A部的放大图。
抗环裂试验片12具有内径5mm、外径10mm、长度20mm的圆柱形状，在其侧壁上沿轴向形成贯穿径向的间隙0.3mm的狭缝12a。另外，在狭缝12a的相对侧的外周壁上，沿轴向形成宽0.4mm、深0.5mm、底部的截面形状为曲率0.2mm的弯曲形状的U切口12b。
对于抗环裂试验片12，为了排除焊接热循环的影响，以在母材上以任意的焊接材料堆焊一层后在焊接的状态下直接在原质部引入U切口的方式进行调节裁取(图4(a))。
裁取的试验片如图5所示沿箭头方向施加力，由此，将狭缝12a连接并缩小，实施TIG焊接进行拘束，对U切口12b的底部赋予拉伸残余应力。
对拘束焊接后的抗环裂试验片121进行630℃×10小时的消除应力退火处理后，使用2个试验片(N-1、N-2)，对每1个试验片3个截面的合计6个截面，进行观察，评价裂纹的有无。将结果示于表9。另外，基于(1)式计算Pcr(1)值，示于表9。
将没有产生裂纹的情况设为○，将产生裂纹的情况设为×。
在此，构成焊丝No.3、4以及6的元素的组成在本发明的初层焊接部的范围内，焊丝No.1以及5具有本发明的初层焊接部的范围外的组成。
根据表9的结果，根据Cr含量消除应力退火裂纹敏感性不同，高Cr材料的消除应力退火裂纹敏感性降低。
表9
Figure BDA0000466679050000251
○：无裂纹，×：有裂纹
将总结以上实施例的结果示于表10。综合评价中，将表10中的各评价项目全部为○的情况评价为◎，将具有△的情况评价为○，将任意一项存在×的情况评价为×。可以判断综合评价◎的情况能够充分使用，可以判断综合评价○的情况能够使用。判断综合评价×的情况不能使用。
由该结果可知，本发明的焊接部以及焊接材料的初层的消除应力退火裂纹敏感性低，并且在高温低应变速度拉伸试验中初层中没有应变的集聚，上层焊接金属发生破裂。另外，通过考虑母材、初层、上层的Cr，铁素体的析出也得到抑制。
表10
Figure BDA0000466679050000261
对本发明进行了详细地说明、并参照特定的实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变更和修正，这对本领域技术人员而言是显而易见的。
本申请基于2011年8月17日申请的日本专利申请(特愿2011-178628)，其内容在此作为参考引用。
符号说明
1     高Cr钢制涡轮转子
2     轴颈部
3     推力部
10    12Cr转子基材
11    初层焊接部
12    抗环裂试验片
12a   狭缝
12b   U切口
13    上层焊接部
14    母材
20    检查分析位置
100   拘束焊接部(TIG焊接/无填料)
121   拘束焊接的抗环裂试验片

Claims (8)

1.一种高Cr钢制涡轮转子的初层焊接部，是在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部中的初层焊接部，其特征在于，以重量%计含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.5%、Cr：4.0～7.7%和Mo：0.5～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述不可避免的杂质相对于所述初层焊接部以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.2%以下、Ni：0.3%以下、Co：1.5%以下、B：0.005%以下、W：1.5%以下和Nb：0.07%以下。
2.如权利要求1所述的高Cr钢制涡轮转子的初层焊接部，其特征在于，满足式(1)，
Pcr(1)=(初层焊接部中的Cr量)×0.65-(高Cr钢制涡轮转子的Cr量-初层焊接部中的Cr量)×0.35＞0.7  …(1)。
3.一种高Cr钢制涡轮转子的初层焊接部用堆焊材料，是用于得到在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部中权利要求1或2所述的初层焊接部的焊接材料，其特征在于，以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.2%、Cr：2.0～5.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述不可避免的杂质相对于所述焊接材料以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
4.一种高Cr钢制涡轮转子的上层焊接部，是在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部中在权利要求1或2所述的初层焊接部上形成的上层焊接部，其特征在于，以重量%计含有C：0.05～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～2.5%、Cr：1.0～4.0%和Mo：0.5～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述不可避免的杂质相对于所述上层焊接部以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.15%以下、Ni：0.3%以下和Nb：0.07%以下。
5.如权利要求4所述的高Cr钢制涡轮转子的上层焊接部，其特征在于，所述上层焊接部中含有的V量少于权利要求1或2所述的初层焊接部中含有的V量。
6.如权利要求4或5所述的高Cr钢制涡轮转子的上层焊接部，其特征在于，满足式(2)，
Pcr(n)=(第n层上层焊接部中的Cr量)×0.65-{第(n-1)层上层焊接部中的Cr量-第n层上层焊接部中的Cr量}×0.35＞0.7  …(2)
其中，N表示构成多层堆焊部的层的数目，2≤n≤N。
7.一种高Cr钢制涡轮转子的上层焊接部用堆焊材料，是用于得到在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上形成的多层堆焊部的初层焊接部上形成的、权利要求4～6中任一项所述的上层焊接部的焊接材料，其特征在于，以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～3.0%、Cr：1.0～2.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述不可避免的杂质相对于所述焊接材料以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
8.一种高Cr钢制涡轮转子的多层堆焊部的制造方法，其特征在于，在高Cr钢制涡轮转子的轴承接触面上，通过使用初层焊接部用堆焊材料的焊接，形成权利要求1或2所述的初层焊接部，所述初层焊接部用堆焊材料以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～1.2%、Cr：2.0～5.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述不可避免的杂质相对于初层焊接部用堆焊材料以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上，
在所述形成的初层焊接部的上层，通过使用上层焊接部用堆焊材料的焊接，形成权利要求4～6中任一项所述的上层焊接部，所述上层焊接部用堆焊材料以重量%计含有C：0.03～0.2%、Si：0.1～1.0%、Mn：0.3～3.0%、Cr：1.0～2.5%和Mo：0.1～1.5%，余量由Fe和不可避免的杂质构成，所述不可避免的杂质相对于所述上层焊接部用堆焊材料以重量%计为P：0.015%以下、S：0.015%以下、Cu：0.2%以下、V：0.1%以下以及总和为0.2%以下的选自由Ni、Nb和Ti组成的组中的一种以上。
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