JP2002348642A - 耐熱鋼 - Google Patents
耐熱鋼Info
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Abstract
に蒸気タービンロータ及び翼として好適な耐熱鋼の提
供。 【解決手段】 重量%で、C:0.08〜0.17、S
i:0.1以下、Mn:0.01〜0.7、Ni:0.
1〜0.8、Cr:9.5〜11.5、V:0.15〜
0.30、Mo:0.05〜1.2、W:0.8〜3.
0、N:0.01〜0.06の範囲に調整され、残部は
Fe及び不可避的不純物からなり、Nbを主構成元素と
する析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。
Description
のである。さらに詳細には、本発明は、高温蒸気タービ
ンロータ材料及び翼材料に特に適した耐熱鋼に関するも
のである。
として、9〜12%のCrを含有する高Crフェライト
系耐熱鋼が多用されている。この種の鋼は、比較的低価
格であり製造性に優れるとともに物理的特性値が良好で
あるため広範な用途があり、高温機器の性能、信頼性お
よび運用性の向上に貢献している。特に、近年、地球環
境保全の観点から火力発電プラントの熱効率向上が追求
され、この結果600℃以上の高温蒸気を用いた高効率
機種が実現し、この実現には高Crフェライト系耐熱鋼
の開発が多いに寄与している。
電プラントの熱効率向上の追求と並行して、機器の経済
性が以前にも増して重視される傾向にあり、原料費や製
造費の低減といった原価低減とともに、製造性に優れた
材質が要求される傾向にある。
になされたもので、製造性、鋼塊の均質性が高く、か
つ、高温の蒸気環境中で安定に運用できる蒸気タービン
ロータ素材及び翼素材として好適な耐熱鋼を提供するこ
とを目的とするものである。
ェライト系耐熱鋼において、とくに高温強度と製造性、
経済性を兼ね備えた蒸気タービン用耐熱鋼を開発すべく
研究を行った結果、本発明に至ったものである。すなわ
ち、本発明は、従来、未固溶の粗大炭化物として鋼中に
残存する、あるいは凝固時の偏析傾向が高く鋼塊の均質
性の低下に繋がるNbを意図的に添加しない耐熱鋼に関
するものである。
C:0.08〜0.17、Si:0.1以下、Mn:
0.01〜0.7、Ni:0.1〜0.8、Cr:9.
5〜11.5、V:0.15〜0.30、Mo:0.0
5〜1.2、W:0.8〜3.0、N:0.01〜0.
06の範囲に調整され、残部はFe及び不可避的不純物
からなり、Nbを主構成元素とする析出物を形成しない
ことを特徴とする、耐熱鋼である。
13〜0.17、Si:0.1以下、Mn:0.3〜
0.7、Ni:0.4〜0.8、Cr:9.5〜11.
5、V:0.15〜0.30、Mo:0.8〜1.2、
W:0.8〜1.5、N:0.03〜0.06の範囲に
調整され、残部はFe及び不可避的不純物からなり、N
bを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴と
する、耐熱鋼である。
08〜0.13、Si:0.1以下、Mn:0.01〜
0.3、Ni:0.1〜0.4、Cr:9.5〜11.
5、V:0.15〜0.30、Mo:0.5〜0.8、
W:1.5〜2.0、N:0.01〜0.03の範囲に
調整され、残部はFe及び不可避的不純物からなり、N
bを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴と
する、耐熱鋼である。
08〜0.13、Si:0.1以下、Mn:0.3〜
0.7、Ni:0.4〜0.8、Cr:9.5〜11.
5、V:0.15〜0.30、Mo:0.05〜0.
5、W:2.0〜3.0、N:0.01〜0.03の範
囲に調整され、残部はFe及び不可避的不純物からな
り、Nbを主構成元素とする析出物を形成しないことを
特徴とする、耐熱鋼である。
005〜0.015をさらに含有することを特徴とす
る、第二の発明の耐熱鋼である。
1.5〜3.5及びB:0.005〜0.015をさら
に含有することを特徴とする、第三の発明の耐熱鋼であ
る。
0.1〜0.6、Co:0.5〜1.5及びB:0.0
05〜0.015をさらに含有することを特徴とする、
第四の発明の耐熱鋼である。
度が566〜610℃の蒸気タービンロータとして用い
られることを特徴とする、第一、第二、第三、第五及び
第六のいずれかの発明の耐熱鋼である。
度が593〜630℃の蒸気タービンロータとして用い
られることを特徴とする、第一、第二、第三、第五及び
第六のいずれかの発明の耐熱鋼である。
度が566〜610℃での蒸気タービン翼として用いら
れることを特徴とする、第一ないし第七のいずれかの発
明の耐熱鋼である。
温度が593〜630℃での蒸気タービン翼として用い
られることを特徴とする、第三、第四、第六及び第七の
いずれかの発明の耐熱鋼である。
する。なお、以下の説明において組成を表す%は、特に
断らない限り重量%とする。
化物の構成元素としても有用な元素である。本発明に係
わる耐熱鋼では0.08%未満では上述の効果が小さ
く、0.17%を超えると炭化物の凝集が促進されるた
め、その含有量を0.08〜0.17%とした。なお、
他の添加元素とのバランスにより、Cの添加範囲は0.
08〜0.13%の場合と、0.13〜0.17%の場
合とに大別でき、前者はNを0.01〜0.03%含有
する場合、後者はNを0.03〜0.06%含有する場
合である。
含有量が過度に高い場合は靭性の低下及び脆化を促進す
るため、この点からは含有量は可能な限り抑制すること
が望ましい。本発明に係わる耐熱鋼においてはその含有
量が0.1%を超えると上記特性が著しく低下するた
め、その含有量を0.1%以下とした。
01%未満では脱硫効果が認められず、0.7%を超え
て添加するとクリープ抵抗を低下させるため、その含有
量を0.01〜0.7%とした。なお、他の添加元素と
のバランスにより、Mnの添加範囲は0.01〜0.3
%の場合と、0.3〜0.7%の場合とに大別でき、前
者はCoを1.5〜3.5%含有する場合、後者はCo
を含有しないか、もしくは0.5〜1.5%含有する場
合である。
耐熱鋼においては0.1%以上でその効果が認められ
る。しかし、0.8%を超えるとクリープ抵抗を低下さ
せるため、その含有量を0.1〜0.8%とした。な
お、他の添加元素とのバランスにより、Niの添加範囲
は0.1〜0.4%の場合と、0.4〜0.8%の場合
とに大別でき、前者はMnを0.01〜0.3%含有す
る場合、後者はMnを0.3〜0.7%含有する場合で
ある。
効であるとともに耐酸化性、耐食性の確保にも不可欠な
成分である。しかし、本発明に係わる耐熱鋼では9.5
%未満では上述の効果が小さく、11.5%を超えると
フェライトの生成を促進するとともに靭性が低下するた
め、その含有量を9.5〜11.5%とした。
本発明に係わる耐熱鋼では0.15%以上の添加でこれ
らの微細析出物が十分に析出し回復を抑制する。しか
し、0.30%を超えると炭窒化物の凝集が促進される
ため、その含有量を0.15〜0.30%とした。
であり、0.05%以上の添加によりその効果が発揮さ
れる。しかし、1.2%を超える添加は本発明の耐熱鋼
においては靭性の低下及びフェライトの生成を促進する
ため、その含有量を0.05〜1.2%とした。なお、
本発明の耐熱鋼においては、とくにWの添加量とのバラ
ンスによってフェライトの生成を回避しており、Moの
添加範囲は0.8〜1.2%の場合と、0.5〜0.8
%の場合と、0.05〜0.5%の場合とに大別でき
る。0.8〜1.2%の場合はWの添加量が0.8〜
1.5%である場合、0.5〜0.8%の場合はWの添
加量が1.5〜2.0%である場合、0.05〜0.5
%の場合はWの添加量が2.0〜3.0%とすることで
マルテンサイト単相組織が得られる。
置換し析出強化にも寄与する。これらの効果を発揮させ
るためには0.8%以上の添加が必要である。しかし、
3.0%を超えると靭性の低下及びフェライトの生成を
促進するため、その含有量を0.8〜3.0%とした。
なお、本発明の耐熱鋼においては、とくにMoの添加量
とのバランスによってフェライトの生成を回避してお
り、Wの添加範囲は0.8〜1.5%の場合と、1.5
〜2.0%の場合と、2.0〜3.0%の場合とに大別
できる。0.8〜1.5%の場合はMoの添加量を0.
8〜1.2%とし、1.5〜2.0%の場合はMoの添
加量を0.5〜0.8%とし、2.0〜3.0%の場合
はMoの添加量を0.05〜0.5%とすることでマル
テンサイト単相組織が得られる。
出強化に寄与する。さらに母相中に残存するNは固溶強
化にも寄与するが、本発明に係わる耐熱鋼では0.01
%未満ではこれらの効果が認められない。一方、0.0
6%超過では窒化物あるいは炭窒化物の粗大化を促進し
クリープ抵抗が低下するとともに粗大生成物の生成を促
進するため、その含有量を0.01〜0.06%とし
た。なお、他の添加元素とのバランスにより、Nの添加
範囲は0.01〜0.03%の場合と、0.03〜0.
06%の場合とに大別でき、前者はCを0.08〜0.
13%含有する場合、後者はCを0.13〜0.17%
含有する場合である。
傾向を抑制する効果を有する。これらの効果を発揮させ
るためには0.5%以上の添加が必要である。しかし、
3.5%を超えるとこれらの効果は飽和するとともに、
大型鋼塊としては経済性を著しく損なうため、Coの添
加範囲は0.5〜3.5%とした。なお、Coを添加す
る場合は、他の添加元素とのバランスにより、Coの添
加範囲は0.5〜1.5%の場合と、1.5〜3.5%
の場合とに大別でき、前者はMnを0.3〜0.7%含
有しかつNiを0.4〜0.8%含有してフェライト生
成傾向を低下させた場合、後者はMn添加量が0.01
〜0.3%でかつNi含有量が0.1〜0.4%であり
フェライト生成傾向が高い場合である。
持することに寄与する。これらの効果を発揮させるため
には0.1%以上の添加が必要であるが、0.6%を超
えるとフェライトの生成を促進するとともに、大型鋼塊
としては経済性を著しく損なうため、その含有量を0.
1〜0.6%とした。
物の高温長時間安定化を可能にする。本発明に係わる耐
熱鋼ではその効果は0.005%以上の添加で認めら
れ、結晶粒界及びその近傍に析出する炭化物の粗大化抑
制効果を発揮するが、0.015%を超えると著しい鍛
造性の低下と粗大生成物の形成を促進するため、その含
有量を0.005〜0.015%とした。
する際に付随的に混入する不純物は、極力低減すること
が望ましい。
で、C:0.08〜0.17、Si:0.1以下、M
n:0.01〜0.7、Ni:0.1〜0.8、Cr:
9.5〜11.5、V:0.15〜0.30、Mo:
0.05〜1.2、W:0.8〜3.0、N:0.01
〜0.06の範囲に調整され、残部はFe及び不可避的
不純物からなる耐熱鋼であって、さらに望ましくは、重
量%で、C:0.13〜0.17、Si:0.1以下、
Mn:0.3〜0.7、Ni:0.4〜0.8、Cr:
9.5〜11.5、V:0.15〜0.30、Mo:
0.8〜1.2、W:0.8〜1.5、N:0.03〜
0.06の範囲に調整され、残部はFe及び不可避的不
純物からなる耐熱鋼、もしくは重量%で、C:0.08
〜0.13、Si:0.1以下、Mn:0.01〜0.
3、Ni:0.1〜0.4、Cr:9.5〜11.5、
V:0.15〜0.30、Mo:0.5〜0.8、W:
1.5〜2.0、N:0.01〜0.03の範囲に調整
され、残部はFe及び不可避的不純物からなる耐熱鋼で
あって、場合によっては重量%で、B:0.005〜
0.015、あるいはCo:1.5〜3.5及びB:
0.005〜0.015の双方を含有する耐熱鋼は、定
常時の最高蒸気温度が566〜630℃の高温蒸気ター
ビンロータ材料として良好な特性を発揮する。566℃
未満ではより安価な低合金鋼を用いることで十分であ
り、630℃を上回ると軟化が著しく運転中の変形が著
しく促進される。
量%で、C:0.08〜0.17、Si:0.1以下、
Mn:0.01〜0.7、Ni:0.1〜0.8、C
r:9.5〜11.5、V:0.15〜0.30、M
o:0.05〜1.2、W:0.8〜3.0、N:0.
01〜0.06の範囲に調整され、残部はFe及び不可
避的不純物からなる耐熱鋼であって、さらに望ましくは
重量%で、C:0.13〜0.17、Si:0.1以
下、Mn:0.3〜0.7、Ni:0.4〜0.8、C
r:9.5〜11.5、V:0.15〜0.30、M
o:0.8〜1.2、W:0.8〜1.5、N:0.0
3〜0.06の範囲に調整され、残部はFe及び不可避
的不純物からなる耐熱鋼、もしくは重量%で、C:0.
08〜0.13、Si:0.1以下、Mn:0.01〜
0.3、Ni:0.1〜0.4、Cr:9.5〜11.
5、V:0.15〜0.30、Mo:0.5〜0.8、
W:1.5〜2.0、N:0.01〜0.03の範囲に
調整され、残部はFe及び不可避的不純物からなる耐熱
鋼であって、場合によっては重量%で、B:0.005
〜0.015、あるいはCo:1.5〜3.5及びB:
0.005〜0.015の双方、あるいはRe:0.1
〜0.6、Co:0.5〜1.5及びB:0.005〜
0.015の3種類を含有する耐熱鋼は、定常時の最高
蒸気温度が566〜630℃の高温蒸気タービン翼材料
として良好な特性を発揮する。566℃未満ではより安
価な鋼を用いることで十分であり、630℃を上回ると
軟化が著しく運転中の変形が著しく促進される。
耐熱鋼を用いた実施例により説明する。 [実施例1]実施例1では、本発明の記載の化学組成範
囲にある耐熱鋼が優れた特性を有することを説明する。
供試鋼は30kg真空誘導溶解後、鋳込んだ鋳塊を熱間
圧延し、続いて焼鈍、焼ならし後油焼入れを行い、さら
に焼戻しを施した。これらの化学組成は、表1に示され
る通りである。
わる組成範囲にある耐熱鋼であり、鋼種27〜鋼種34
はその組成が本発明記載の化学組成範囲にない比較例で
ある。これらのうち、鋼種1〜鋼種4、鋼種11〜鋼種
18、鋼種27、鋼種29、鋼種31及び鋼種34はタ
ービンロータに適した700MPa程度の常温0.02
%耐力に調整されており、鋼種5〜鋼種7、鋼種19〜
鋼種26、鋼種30、鋼種32及び鋼種33はタービン
翼に適した740〜770MPa程度の常温0.02%
耐力に調整されている。また、鋼種8〜鋼種10及び鋼
種28については上記双方に適した常温0.02%耐力
に調整されたものを準備した。これらの常温0.02%
耐力を表2に示す。なお、表中では各請求項に対応する
実施例と比較例をひとつの組合せとして記載した。
Paでのクリープ破断試験におけるクリープ破断時間は
表2に示される通りである。本発明記載の化学組成範囲
にある耐熱鋼は、添加元素の種類とバランス、及び常温
0.02%耐力がA〜Hの各グループ間で異なるため、
グループ分けした実施例間での比較は困難であるが、A
〜Hに区分けした各実施例ごとに、当該グループの比較
例と比べ同等かもしくは比較例を上回るクリープ破断時
間を示した。
試験片を用いて20℃でシャルピー衝撃試験を実施し
た。得られた衝撃吸収エネルギーは表2に示される通り
である。本発明記載の化学組成範囲にある耐熱鋼は、添
加元素の種類とバランス、及び常温0.02%耐力がA
〜Hの各グループ間で異なるため、グループ分けした実
施例間での比較は困難でえあるが、A〜Hに区分けした
各実施例ごとに、当該グループの比較例と比べ同等かも
しくは比較例を上回る衝撃吸収エネルギーを示した。
区分けされた化学組成範囲にある耐熱鋼は、同等の常温
0.02%耐力に調整した場合、その組成範囲にない添
加元素量を有する比較例に比べ、クリープ破断時間及び
衝撃吸収エネルギー双方で同等以上の値を示すことがわ
かる。
組成範囲にある耐熱鋼が高い組織清浄度を有することを
説明する。供試鋼は、表1中の鋼種3、鋼種7〜鋼種
9、鋼種11、鋼種14、鋼種15、鋼種19、鋼種2
3及び鋼種24を本発明の化学組成範囲にある実施例と
して用い、表1中の鋼種28〜鋼種31及び鋼種34を
本発明の化学組成範囲にない比較例として用いた。な
お、これらの製造方法は実施例1と同様である。
×15mmの板を採取し、これらを研磨後、JIS G
0555記載の試験方法に基づいて清浄度の判定を実
施した。これらの結果は、表3に示される通りである。
介在物と判断したものには、MnS、未固溶のNb炭窒
化物、BN等を含む。比較例における介在物の合計値は
0.036〜0.057であるのに対し、本発明の化学
組成範囲にある耐熱鋼における介在物の合計値は0.0
08〜0.024と比較例の数分の1に減少したことが
わかる。
在物が存在しない部位についてJIS 4号2mmVノ
ッチ試験片を用いて20℃でシャルピー衝撃試験を実施
した。得られた衝撃吸収エネルギーは表3に示される通
りである。本発明記載の化学組成範囲にある各耐熱鋼
は、介在物の有無に係わらず衝撃吸収エネルギーは同等
であったが、比較例の各耐熱鋼では、鋼種29及び鋼種
31の様に一部は同等の値を示すものもあるが、大半は
衝撃吸収エネルギーが低下した。
区分けされた化学組成範囲にある耐熱鋼は、Nbを無添
加とし、さらにその他の元素の添加量を効果的に制限し
たことで鋼の清浄度が大幅に向上するため製造性が良好
であり、かつ、介在物が存在することによる局所的な特
性の不均一が生じないことがわかる。
る耐熱鋼は優れた特性及び組織清浄度を有しており、こ
れらの耐熱鋼からなる蒸気タービンロータ及び翼は、蒸
気タービンの性能、運用性、経済性の向上に貢献できる
等、産業上有益な効果がもたらされる。
Claims (11)
- 【請求項1】重量%で、C:0.08〜0.17、S
i:0.1以下、Mn:0.01〜0.7、Ni:0.
1〜0.8、Cr:9.5〜11.5、V:0.15〜
0.30、Mo:0.05〜1.2、W:0.8〜3.
0、N:0.01〜0.06の範囲に調整され、残部は
Fe及び不可避的不純物からなり、Nbを主構成元素と
する析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。 - 【請求項2】重量%で、C:0.13〜0.17、S
i:0.1以下、Mn:0.3〜0.7、Ni:0.4
〜0.8、Cr:9.5〜11.5、V:0.15〜
0.30、Mo:0.8〜1.2、W:0.8〜1.
5、N:0.03〜0.06の範囲に調整され、残部は
Fe及び不可避的不純物からなり、Nbを主構成元素と
する析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。 - 【請求項3】重量%で、C:0.08〜0.13、S
i:0.1以下、Mn:0.01〜0.3、Ni:0.
1〜0.4、Cr:9.5〜11.5、V:0.15〜
0.30、Mo:0.5〜0.8、W:1.5〜2.
0、N:0.01〜0.03の範囲に調整され、残部は
Fe及び不可避的不純物からなり、Nbを主構成元素と
する析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。 - 【請求項4】重量%で、C:0.08〜0.13、S
i:0.1以下、Mn:0.3〜0.7、Ni:0.4
〜0.8、Cr:9.5〜11.5、V:0.15〜
0.30、Mo:0.05〜0.5、W:2.0〜3.
0、N:0.01〜0.03の範囲に調整され、残部は
Fe及び不可避的不純物からなり、Nbを主構成元素と
する析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。 - 【請求項5】重量%で、B:0.005〜0.015を
さらに含有することを特徴とする、請求項2に記載の耐
熱鋼。 - 【請求項6】重量%で、Co:1.5〜3.5及びB:
0.005〜0.015をさらに含有することを特徴と
する、請求項3に記載の耐熱鋼。 - 【請求項7】重量%で、Re:0.1〜0.6、Co:
0.5〜1.5及びB:0.005〜0.015をさら
に含有することを特徴とする、請求項4に記載の耐熱
鋼。 - 【請求項8】定常時の最高蒸気温度が566〜610℃
の蒸気タービンロータとして用いられることを特徴とす
る、請求項1、請求項2、請求項3、請求項5、請求項
6のいずれか1項に記載の耐熱鋼。 - 【請求項9】定常時の最高蒸気温度が593〜630℃
の蒸気タービンロータとして用いられることを特徴とす
る、請求項1、請求項2、請求項3、請求項5、請求項
6のいずれか1項に記載の耐熱鋼。 - 【請求項10】定常時の最高蒸気温度として566〜6
10℃の蒸気タービン翼として用いられることを特徴と
する、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の耐熱
鋼。 - 【請求項11】定常時の最高蒸気温度として593〜6
30℃の蒸気タービン翼として用いられることを特徴と
する、請求項3、請求項4、請求項6、請求項7のいず
れか1項に記載の耐熱鋼。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1300363C (zh) * | 2005-07-31 | 2007-02-14 | 东方汽轮机厂 | 用做汽轮机转子的耐热钢材料 |
JP2015518542A (ja) * | 2012-04-16 | 2015-07-02 | シーメンス アクティエンゲゼルシャフト | 機能性被覆を備えたターボ機械部品 |
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- 2001-05-25 JP JP2001156607A patent/JP4284010B2/ja not_active Expired - Fee Related
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