JP2003129193A

JP2003129193A - タービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼、その製造方法及びタービンロータ

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Publication number: JP2003129193A
Application number: JP2001328149A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Kamata; 政智鎌田; Masahiro Saito; 正洋斉藤; Akiji Fujita; 明次藤田; Yusaku Takano; 勇作高野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: JP3905739B2; US20030145916A1; EP1306458A3; CN1414129A; EP1306458A2; CN1173066C

Abstract

(57)【要約】【課題】耐蝕性、耐応力腐食割れ性の確保と適切な強
度・靱性バランスを有するタービンロータ材、及びその
製造方法を提供する。【解決手段】重量％でＣ：０．０１〜０．１０％、Ｓ
ｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｒ：９〜１３％、Ｎｉ：２〜７％、Ｍｏ：０．３〜３
％、Ｎ：０．０１〜０．１０％を含有し、残部Ｆｅ及び
付随的不純物よりなるタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は．地熱発電用タービ
ンロータ、蒸気発電用低圧タービンロータなどのタービ
ンロータ用１２Ｃｒ合金鋼、その製造方法及びタービン
ロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】地熱タービン用ロータ材は地熱蒸気温度
が通常、約３００°Ｃ以下であるため、高温強度特性は
あまり問題にならない。そこで３００°Ｃ以下の強度と
靭性の優れた３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の低圧蒸気
タービンロータ材や、靭性を高めた改良型ＣｒＭｏＶ鋼
ロータ材が使用されているのが一般的である。しかし、
これらの材料は耐食性に劣るため、特に、腐食性が厳し
い地熱蒸気環境で使用する場合には必ずしも十分な特性
を具備しているとは言えない。さらに地熱タービン用や
低圧蒸気タービン用のロータ材では、一般的な耐食性に
加えて、耐応力腐食割れ性も重要な材料因子である。
３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼や改良型ＣｒＭｏＶ鋼は
耐応力腐食割れ性に関しても必ずしも十分とは言えな
い。

【０００３】一方、例えば特許第００２１１５８３７号
等に記載されているように、１２Ｃｒ鋼が蒸気タービン
の高圧ロータ材、中圧ロータ材として使用される場合も
あるが、この場合、使用される蒸気温度が約６００°Ｃ
程度あるいはそれ以上であり、特にクリープ強度を確保
することに主眼を置いた成分設計がなされている。ただ
し、使用される蒸気の成分は注意深く管理されているた
め、耐食性については特に問題が生じることはない。そ
の反面、地熱蒸気中や低圧蒸気中のような室温〜３００
°Ｃの温度領域では、靭性はそれほど良好ではない。特
に高圧ロータと異なり、大型化される地熱発電用タービ
ンロータ、蒸気発電用低圧タービンロータでは、靭性の
確保も重要である。高圧ロータ材、中圧ロータ材として
使用される１２Ｃｒ鋼の製造においては，インゴットの
中心部に合金成分の偏析が生じやすいため、一旦製造し
たインゴットを再溶解したり、溶融金属の凝固過程にお
いて合金元素の濃化分を希釈したりする特殊溶解を用い
るのが一般的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の技術
水準に鑑み、地熱蒸気環境中や低圧蒸気タービンの乾湿
交番環境中で十分な耐食性、耐応力腐食割れ性をもつと
ともに、適切な強度・靭性のバランスを有するタービン
ロータ材、及びその製造方法を提供することを課題とし
ている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１は、過酷な
腐食環境下での使用にも耐えうるように１２Ｃｒ％鋼を
ベース成分にして、各種合金元素の添加量を最適化し、
適切な材料強度、高い靭性を確保するとともに耐食性や
耐応力腐食割れ性を格段に高めたものであり、主に３０
０°Ｃ以下で使用される地熱発電用タービンロータや蒸
気発電用低圧タービンロータに使用して好適な合金鋼で
ある。

【０００６】具体的には、靭性や耐食性確保のためにＣ
量を下げ、それにより低下した焼入れ性を確保するため
にＮｉを従来より多量に添加している。Ｎｉの添加は適
切量のオーステナイト相を金属基地中に残して、靭性、
耐食性、耐応力腐食割れ性を高める狙いもある。さらに
靭性確保のために従来の高温用１２％Ｃｒロータ材に添
加されているＶの添加を避けている。

【０００７】すなわち、本発明の第１は、重量％で、
Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓｉ：０．０１〜０．５０
％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：９〜１３％、Ｎ
ｉ：２〜７％、Ｍｏ：０．３〜３％、Ｎ：０．０１〜
０．１０％を含有し、残部Ｆｅおよび付随的不純物より
なることを特徴とするタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼
である。

【０００８】本発明に係る１２Ｃｒ合金鋼は電気炉等に
て溶解して造塊後、１０００〜１２００°Ｃに加熱して
熱間鍛造を行い、十分な鍛錬を素材に加えるとともに、
ロータの形状に成型される。その後、９００〜１１００
°Ｃに加熱後、焼入れを施し、引き続き５００〜７００
°Ｃの間で焼戻しを行い所定の材料強度に調整する。以
下に各合金成分の限定理由について述べる。以下の説明
における成分割合は重量％を意味する。

【０００９】（１）Ｃ（炭素）：Ｃは、材料強度や低温
での靭性を著しく変動させ、また、耐食性や耐応力腐食
割れ性にも大きな影響を及ぼす。Ｃ量が０．１％を越え
ると耐食性、耐応力腐食割れ性および靭性の低下が大き
いため、上限値を０．１％とした。一方、０．０１％を
下回ると強度の確保が困難になるため、下限値を０．０
１％とした。好ましくは、０．０３〜０．０８％であ
る。

【００１０】（２）Ｓｉ（珪素）：Ｓｉは脱酸剤として
有用な元素であるが、凝固時の柱状結晶の成長を促進し
て偏析を助長するとともに、それ自身が基地金属中に溶
け込むことによって靭性の低下を招く。そのため、上限
値を0.５％とした。また、Ｓｉ量を極端に下げることは
脱酸が不十分になることや製造コストの増大を招くた
め、下限値を０．０１％とした。好ましくは０．０５〜
０．３％である。

【００１１】（３）Ｍｎ（マンガン）：Ｍｎは脱酸剤と
して添加される。また、鋼中の有害なＳと結びついてＭ
ｎＳを形成し、高温割れ等を防止する作用がある。この
ような効果を期待できる最低量として下限値を０．１％
とした。また、多量の添加は靭性の低下を招くため上限
を１．０％とした。好ましくは０．３〜０．８％であ
る。

【００１２】（４）Ｃｒ（クロム）Ｃｒは、機械的性質、耐食性、耐応力腐食割れ性を向上
させるために最も重要な元素である。９％未満では耐食
性や耐応力腐食割れ性が不十分であり、１３％を越える
と偏析傾向が大きくなるとともに製造時の湯流れや鍛造
性が悪くなるために、適切な添加範囲を９〜１３％とし
た。好ましくは１０〜１２％である。

【００１３】（５）Ｎｉ（ニッケル）Ｎｉは１２％Ｃｒ鋼において有害なδフェライトの生成
を押えるとともに焼入れ性を向上させる重要な元素であ
る。また、Ｎｉの添加は適切量のオーステナイト相を金
属基地中に残して、靭性、耐食性、耐応力腐食割れ性を
高める効果も有する。このような効果を得るためには２
％以上の添加が必要であるが、一方、７％を超えるとオ
ーステナイト量が増えすぎて、０．２％耐力の低下や長
時間使用時の寸法変化に対する安定性が低下するため
に、２〜７％の添加量とした。好ましくは４〜６％であ
る。

【００１４】（６）Ｍｏ（モリブデン）：Ｍｏは強度や
耐食性を高め、焼戻し脆化を防止するために添加してい
る。この効果を得るためには０．３％の添加が必要であ
るが、３％を超えると靭性の低下を招くため０．３〜３
％の範囲とした。好ましくは０．８〜１．８％である。

【００１５】（７）Ｎ（窒素）：Ｎは、耐食性を低下せ
せることなく、焼入れ性を高め強度を確保するために有
用な元素である。そのために必要な最低限の添加量は
０．０１％であるため、これを下限値とした。一方、
０．１％を越える添加では靭性を損なうとともに溶融金
属の凝固時にガスポア性の欠陥を発生させるため、上限
を０．１％とした。好ましくは０．０３〜．０．０８で
ある。

【００１６】（８）Ｖ（バナジウム）Ｖは炭・窒化物を形成して材料強度、特にクリープ強度
を高める効果があるため、高温タービンロータ用１２Ｃ
ｒ鋼には必須の元素である。しかし、本発明では特に高
温での強度は重視していないため、他の元素のバランス
良い添加を行えば使用温度における強度を確保すること
は可能である。さらにＶの添加は靭性の低下にも繋がる
ため、本発明ではこれを添加しないこととした。なお、
不可避的元素として含有される場合はこれを容認するも
のとした。

【００１７】本発明の第２は、上記の第１の発明の成分
に加えて、微量の元素を添加することでさらに地熱発電
用タービンロータ、蒸気発電用低圧タービンロータとし
ての材料特性を高めるものである。すなわち、本発明の
第２は、第１の発明の成分に加えて、重量％で希土類元
素：０．００３〜０．０３％、Ｃａ：０．００１〜０．
００９％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％のうち、い
ずれか１種類以上を含有させてなることを特徴とするタ
ービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼である。以下に、新たに
添加する微量元素について成分の限定理由を説明する。

【００１８】（９）希土類元素：希土類元素は介在物を
球状化して微細分散させるとともに、溶融金属の凝固時
に柱状結晶の成長を抑制して有害不純物元素のマクロ偏
析を防止する効果がある。高温タービン用１２Ｃｒ鋼の
製造のようにエレクトロスラグ再溶解等の特殊溶解を行
う場合は清浄度が高く（介在物の量が少ない）希土類元
素添加の効果は余り大きくないが、ある程度の介在物が
存在する通常の溶解・造塊工程ではこの添加は有用であ
る。添加量が０．００３％以下ではその効果が現れず、
逆に０．０３％を越える添加では介在物の量がかえって
増えるため、適正な添加量を０．００３〜０．０３％と
した。

【００１９】（１０）Ｃａ（カルシウム）：Ｃａも希土
類元素と同様の働きをする元素である。添加量が０．０
０３％以下ではその効果が現れず、逆に０．０３％を越
える添加では介在物の量がかえって増えるため適正な添
加量を０．００３〜０．０３％とした。

【００２０】（１１）Ｂ（ボロン）：Ｂは適切量の添加
であれば結晶粒界を安定化する作用を有し、粒界の選択
的な腐食を防止する効果がある。その量が０．０００５
％以下では効果はなく、０．００５％以上ではかえって
粒界の結合力を弱めてしまうため添加量を０．０００５
〜０．００５％とした。好ましくは０．００１〜０．０
０３％である。

【００２１】本発明の第３は、上記の第１、第２の発明
の成分において有害な不純物の量の上限値を規定したも
のである。すなわち、本発明の第３は、第１、第２の発
明の合金鋼において、付随的不純物のうち、以下に示す
不純物元素の量を重量％で、Ｐ：０．０１２％以下、
Ｓ：０．００３以下、Ｃｕ：０．０８％以下、Ａｌ：
０．０１２％以下、Ａｓ：０．００８％以下、Ｓｎ：
０．００８％以下、Ｓｂ：０．００３％以下に制御した
ことを特徴とするタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼であ
る。

【００２２】鋼材の機械的特性、腐食特性にとって、こ
れらの不純物は低い方が好ましいことは言うまでもな
い。しかし、一般に鋼材中の不純物として含有許容量が
規格されているのはＰとＳのみにすぎない。燐（Ｐ）と
硫黄（Ｓ）は鋼材を脆くすることからおおかたの鋼種で
許容量を定められているが、材料特性を重視してこれを
必要以上に低くすると、精錬工程が煩雑となり素材のコ
ストアップを招いてしまう。

【００２３】本発明者らは、とくに地熱発電用タービン
ロータや蒸気発電用低圧タービンロータに使用する１２
Ｃｒ％鋼の耐応力腐食割れ性に着目して鋭意研究した結
果、微量不純物量が耐応力腐食割れ性に大きな影響を及
ぼしていることを見出した。不純物としては、Ｐ、Ｓば
かりでなく、アルミニウム（Ａｌ）、砒素（Ａｓ）、錫
（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）等も悪影響を及ぼすこと
が判明した。これまでは微量不純物は漠然と低い方が良
いと認識されているのみで具体的な許容量は明らかにさ
れていなかった。本発明者らはこれら不純物について詳
細に検討し、実地熱蒸気中での応力腐食割れ試験におけ
る亀裂発生の有無を判定することで許容可能な不純物量
を具体的に示すこととした。

【００２４】（１２）Ｐ（燐）：Ｐは製鋼原料から持ち
込まれる不純物であり、鋼材の靭性を低下させる。さら
に粒界偏析傾向が高く粒界の結合力を低下させることか
ら、耐応力腐食割れ特性も低下させる。一方、これを必
要以上に低くすると、精錬工程が煩雑となり素材のコス
トアップを招いてしまう。そこで、大幅なコストアップ
を招かず、かつ耐応力腐食割れ特性を損なわない値とし
て０．０１２％を上限とする。好ましくは０．００８％
以下である。

【００２５】（１３）Ｓ（硫黄）：Ｓは粒界に偏析する
と熱間割れを引き起こす元素である。これを防止するた
めにＭｎの添加でＭｎＳとして固定しているが、多量に
ＭｎＳが存在すると、応力腐食割れの起点や亀裂の進展
経路になるため、対応力腐食割れ性が低下する。一方、
これを必要以上に低くすると、精錬工程が煩雑となり素
材のコストアップを招いてしまう。そこで、大幅なコス
トアップを招かず、かつ耐応力腐食割れ特性を損なわな
い値として０．００５％を上限とする。好ましくは０．
００３％以下である。

【００２６】（１４）Ａｌ（アルミニウム）：アルミニ
ウムは主として製鋼工程の脱酸剤からもたらされるもの
であり、鋼材中で酸化物形の介在物を形成して靭性を低
下させるとともに、多量に存在すると応力腐食割れの起
点として作用する場合がある。応力腐食割れ試験結果よ
り上限値を０．０１５％とした。好ましくは０．０１％
以下である。

【００２７】（１５）Ａｓ（砒素）、Ｓｎ（錫）、Ｓｂ
（アンチモン）Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂは製鋼原料から混入する不純物であ
り、ともに結晶粒界に偏析して粒界強度を低下させる。
その結果、靭性が低下するとともに耐応力腐食割れ性も
低下する。応力腐食割れ試験の結果、これら不純物の含
有上限値は、Ａｓは０．００８％（好ましくは０．００
５％）、Ｓｎは０．００８％（好ましくは０．００５
％）、Ｓｎは０．００５％（好ましくは０．００２％）
とした。

【００２８】本発明の第４は、上記の第１〜第３の発明
の合金鋼において、オーステナイト相の量を適切に制御
するためにＣｒ（クロム）等量を用い、その範囲を限定
して．高い靭性や良好な対応力腐食割れ特性を得るもの
である。すなわち、本発明の第４は、第１〜第３の発明
の合金鋼において［Ｃｒ％］＋２［Ｓｉ％］＋１．５
［Ｍｏ％］−２［Ｎｉ％］−［Ｍｎ％］−１５［Ｃ％＋
Ｎ％］で示されるＣｒ等量が−２．０以上＋８．０以下
であることを特徴とするタービンロータ用１２Ｃｒ合金
鋼である。

【００２９】第１〜第３の発明の合金鋼は、いずれもマ
ルテンサイト組織中に微細なオーステナイトが含まれる
微細混合２相組織を呈するものであり、その結果、高い
靭性や良好な対応力腐食割れ特性が得られる。このオー
ステナイト相は、焼入れ時に未変態の残留オーステナイ
トに加えて焼戻しに再析出した逆変態オーステナイトか
らなっている。オーステナイト量はオーステナイト相の
熱的安定度に依存しており、熱的安定度は合金元素の量
によって支配される。そこでオーステナイト量を適切に
制御する目安として、Ｃｒ等量を導入し、より望ましい
成分範囲を限定したものである。

【００３０】本発明の第５は、第１〜第４の発明の合金
鋼の製造工程において、所定の化学成分に調整した溶融
金属を鋳型に鋳込んで造塊する際に、溶融金属の凝固過
程における化学成分の調整を行わず、また、一旦凝固し
た鋼塊の再溶解処理も行わないことを特徴とするタービ
ンロータ用１２Ｃｒ合金鋼の製造方法である。高圧ロー
タ材、中圧ロータ材として使用される１２Ｃｒ鋼の製造
においてはインゴットの中心部に合金成分の偏析が生じ
やすいため、一旦製造したインゴットを再溶解したり、
溶融金属の凝固過程において合金元素の濃化分を希釈し
たりする特殊溶解を用いるのが一般的である。ただし、
このような特殊溶解法を採用した結果、素材の製造コス
トが上昇することが大きな問題であった。

【００３１】特殊溶解を行う主な理由は、合金元素を十
分に溶かし込んで偏析の少ない素材とし、靭性と高温強
度（特にクリープ強度）を高めることである。一方、本
発明の１２％Ｃｒ鋼のターゲットは３００°Ｃ以下の低
い温度で使用するものであるから、高温強度に大きな注
意を払う必要はない。また、靭性を高める元素としてＮ
ｉを多く添加しているため、少々の偏析が生じても靭性
は確保できるものと推定される。

【００３２】このような状況に鑑み、本発明者らは特殊
溶解法を用いずに、通常の溶解・造塊プロセスで実施相
当サイズの試験材を作製して、偏析が生じやすい鋼塊中
心部の機械的特性、耐食性、対応力腐食割れ性を検討し
た。さらに偏析の心配が要らない小型溶解試験片により
得られた結果と比較することで、有効性の判定を行っ
た。

【００３３】本発明の第６は、第１〜第５の発明の合金
鋼の熱処理工程において、オーステナイト相を安定化さ
せる熱処理を提案するものである。すなわち、本発明の
第６は、本発明１〜５の合金鋼の熱処理工程において、
焼入れ処理後、５００°Ｃ〜７００°Ｃ（好ましくは５
５０°Ｃ〜６５０°Ｃ）の間の温度領域で２回以上焼戻
しを行うことを特徴とし、オーステナイト相を安定化す
るタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼の製造方法である。

【００３４】上記のように、本発明材はマルテンサイト
組織中に微細なオーステナイトが含まれる微細混合２相
組織を呈するものであり、その結果、高い靭性や良好な
対応力腐食割れ特性が得られる。しかし、オーステナイ
ト相の安定度が低いと、使用中にオーステナイト相が徐
々にマルテンサイト変態する現象が生じる。オーステナ
イト相からマルテンサイトへの変態は体積膨張を伴うも
のであり、これが積み重なると寸法変化をきたしたり、
局所的な応力を発生したりする。これはタービンの安定
な運転を阻害するものである。

【００３５】そこで、焼入れ後の焼戻し熱処理方法につ
いて鋭意検討した結果、上記の温度領域にて２回以上の
繰り返し焼き戻し処理をすることでオーステナイト相の
安定度が格段に高まることを見出した。

【００３６】本発明の第７は、第１〜第６の発明の合金
鋼を用いたことを特徴とするタービンロータであり、と
くに地熱発電用タービンロータ、蒸気発電用低圧タービ
ンロータに第１〜第６の発明の合金鋼を用いるとその有
用性が明確に現れる。

【００３７】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体
的に説明するが、以下の実施例は、本発明の内容を限定
するものではない。

【００３８】（実施例１）

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】実施例１に供した本発明材（試料番号０１
〜０４）および比較材（試料番号０５〜０７）の化学成
分を表１に示す。各供試材は、５０ｋｇ真空溶解炉を用
いて溶製し、実ロータ胴部相当の鍛錬を行い、その後、
胴経φ１６００ｍｍの実機ロータの中心部を模擬した熱
処理を施した。焼戻しは、５００〜７００°Ｃの温度範
囲で２回行い、０．２％耐力が７３０±２５ＭＰａとな
るように鋼種毎に適切な温度を設定した。なお、比較材
０７については、５００°Ｃで焼戻しても目標の強度を
得ることができなかった。

【００４２】表２に実施例１の供試材の機械的特性、腐
食率、応力腐食割れ（ＳＣＣ）亀裂長さを示す。機械的
性質は、０．２％耐力６３７ＭＰａ以上（望ましくは７
００ＭＰａ以上）、引張強さは７４０ＭＰａ以上（望ま
しくは８３０ＭＰａ以上）、伸びは１６％以上、絞りは
４５％以上、室温衝撃吸収エネルギは３０Ｊ以上（望ま
しくは８０Ｊ以上）、シャルピー衝撃試験破面の延性−
脆性遷移温度（ＦＡＴＴ）は４０°Ｃ以下（望ましくは
−６０°Ｃ以下）が得られることを目標とした。腐食試
験は、実際の地熱蒸気に試験片を２年間暴露し、腐食減
肉量を求め年間腐食量に換算した。腐食率は０．００３
ｍｍ／年以下を目標とした。

【００４３】応力腐食割れ試験には、寸法８×１０８×
５ｍｍの試験片の中央部に深さ１．２５ｍｍ、長さ８ｍ
ｍのＶ型ノッチ（ノッチ先端Ｒ：０．２ｍｍ）を加工
し、ノッチ部近傍に０．２％耐力の９０〜９５％の引張
応力が作用するように試験片を湾曲させて保持したもの
を試験片として用いた。試験片は実際の地熱蒸気中で２
年間保持したのち、ノッチ直下の断面観察により亀裂の
有無および亀裂長さを調査した。応力腐食割れ試験で
は、２年間の亀裂長さ３０μｍ以下を目標とした。

【００４４】本発明材は、機械的特性、腐食率、応力腐
食割れ長さともに目標を達成している。一方、比較材は
いずれもＳＣＣ亀裂長さが目標値より長く、耐応力腐食
割れ性に劣ることが分かる。また、比較材０６は年間腐
食率、比較材０７は０．２％耐力と年間腐食率が目標に
達していない。以上のように、本発明の請求項１に示し
た成分を用いることにより、地熱発電用タービンロー
タ、蒸気発電用低圧タービンロータとして必要な機械的
特性、耐食性、耐応力腐食割れ性を兼ね備えた合金鋼が
得られることが明らかになった。

【００４５】（実施例２）

【００４６】

【表３】

【００４７】

【表４】

【００４８】実施例２に供した本発明材（試料番号０８
〜１１）の化学成分を表３に示す。供試材は、実施例１
の本発明材０４の化学成分をベースとして、希土類元
素、Ｃａ、Ｂのうちいずれか１種類以上を適量添加した
成分である。各供試材は、５０ｋｇ真空溶解炉を用いて
溶製し、実ロータ胴部相当の鍛錬を行い、その後、胴経
φ１６００ｍｍの実機ロータの中心部を模擬した熱処理
を施した。焼戻しは、５００〜７００°Ｃの温度範囲で
２回行い、０．２％耐力が７３０±２５ＭＰａとなるよ
うに鋼種毎に適切な温度を設定した。表４に実施例２の
供試材の機械的特性、腐食率、応力腐食割れ（ＳＣＣ）
亀裂長さを示す。腐食試験、応力腐食割れ試験は実施例
１で述べた手法により実施した。

【００４９】ベース材の機械的特性（表４参照）と本発
明材（試料番号０８〜１１）のそれはいずれも良好な特
性を示しており、希土類元素、Ｃａ、Ｂのうちいずれか
１種類以上を添加することによる悪影響はなく、優れた
機械的特性がそのまま保持されることが分かる。ベース
材の腐食率（表４参照）と本発明材（試料番号０８〜１
１）のそれを比較すると本発明材の方が小さな値を示し
ており、耐食性が向上することを示している。特筆すべ
きは耐応力腐食割れ性の向上である。ベース材のＳＣＣ
亀裂長さは１９μｍであるが、希土類元素、Ｃａ、Ｂの
うちいずれか１種類以上を適量添加することによって、
いずれの試料でも亀裂が認められなくなっている。

【００５０】以上のように、本発明の請求項２に示した
成分を用いることにより、地熱発電用タービンロータ、
蒸気発電用低圧タービンロータとして必要な機械的特
性、耐食性を有し、さらにとくに優れた耐応力腐食割れ
性も兼ね備えた合金鋼が得られることが明らかになっ
た。

【００５１】（実施例３）

【００５２】

【表５】

【００５３】

【表６】

【００５４】実施例３に供した本発明材（試料番号１
２）および比較材（試料番号１３〜１６）の化学成分を
表５に示す。本発明材（試料番号１２）は、実施例１の
本発明材０４の化学成分を狙って再溶解したものであ
り、比較材の（試料番号１３〜１５）は本発明材（試料
番号１２）の不純物量のレベルを高めたものである。ま
た、比較材の（試料番号１６）は、実施例２の本発明材
（試料番号１０）の不純物量のレベルを高めたものであ
る。

【００５５】各供試材は、５０ｋｇ真空溶解炉を用いて
溶製し、実ロータ胴部相当の鍛錬を行い、その後、胴経
φ１６００ｍｍの実機ロータの中心部を模擬した熱処理
を施した。焼戻しは、５００〜７００°Ｃの温度範囲で
２回行い、０．２％耐力が７３０±２５ＭＰａとなるよ
うに鋼種毎に適切な温度を設定した。

【００５６】表６に実施例３の供試材の機械的特性、腐
食率、応力腐食割れ（ＳＣＣ）亀裂長さを示す。腐食試
験、応力腐食割れ試験は実施例１で述べた手法により実
施した。本発明材（試料番号１２）と比較材（試料番号
１３〜１５）の機械的特性はいずれも目標値を確保して
いるが、後者の方が室温衝撃吸収エネルギが低く、シャ
ルピー衝撃試験破面の延性−脆性遷移温度が高いことか
ら、靭性が低下する傾向にあることが分かる。腐食率に
関しては、比較材（試料番号１４）は目標値をクリアし
ているが、比較材（試料番号１３、１５）は目標値を満
足していない。さらにＳＣＣ亀裂長さは、比較材（試料
番号１３〜１５）のいずれにおいても目標値を満足して
いない。

【００５７】このように、請求項１に示した本発明材に
おける不純物量を所定量以下に制御することで耐食性
や、耐応力腐食割れ性が向上することが明らかである。
次に本発明材（試料番号１０）と比較材（試料番号１
６）の材料特性に着目する。機械的特性の中では、延性
−脆性遷移温度が比較材（試料番号１６）のほうが高
く、靭性が低下していることを示している。比較材（試
料番号１６）の腐食率は、本発明材（試料番号１０）の
３倍の値を示しており、目標値を満足していない。ま
た、本発明材（試料番号１０）ではＳＣＣ亀裂が発生し
なかったのに対し、比較材（試料番号１６）は４２μｍ
の亀裂が発生しており目標を満足しない。

【００５８】このように、請求項２に示した本発明材に
おける不純物量を所定量以下に制御することで耐食性
や、耐応力腐食割れ性が向上することが明らかである。
以上のように、本発明の請求項３に示した不純物の制御
を用いることにより、地熱発電用タービンロータ、蒸気
発電用低圧タービンロータとして必要な機械的特性を有
し、さらに耐食性や耐応力腐食割れ性を高めた合金鋼が
得られることが明らかになった。

【００５９】（実施例４）

【００６０】

【表７】

【００６１】実施例１に用いた本発明材（試料番号０１
〜０４）および比較材（試料番号０５〜０７）につい
て、Ｃｒ等量とＳＣＣ亀裂長さの関係をまとめたものを
表７および図１に示してある。Ｃｒ等量を示す式はいろ
いろと提案されているが、発明者らはこれまでの多数の
大型鋼塊の製造実績に基づいて以下の式がタービンロー
タ等の大型鋼塊製造において適切と判断した。Ｃｒ等量＝［Ｃｒ％］＋２［Ｓｉ％］＋１．５［Ｍｏ
％］−２［Ｎｉ％］−［Ｍｎ％］−１５［Ｃ％＋Ｎ％］図１より目標のＳＣＣ亀裂長さ３０μｍ以下を得るため
にはＣｒ等量が−２．０以上＋８．０以下であることが
必要であることが分かる。以上のように、本発明材のＣ
ｒ等量を適切な範囲内に納めるよう合金成分量を調整す
ることによって、地熱発電用タービンロータ、蒸気発電
用低圧タービンロータとして重要な材料因子である耐応
力腐食割れ性を高めた合金鋼が得られることが明らかに
なった。

【００６２】（実施例５）

【００６３】

【表８】

【００６４】

【表９】

【００６５】実施例５に用いた本発明材の化学成分を表
８に示す。試料は地熱用実ロータ相当の大きさとし、重
量で約９５トンの鋼塊を、一旦製造したインゴットを再
溶解したり、溶融金属の凝固過程において合金元素の濃
化分を希釈したりする特殊溶解・特殊造塊法を用いずに
通常造塊法にて製造した。鋼塊は、実ロータの製造工程
に準じた鍛造および熱処理を行った。得られたロータ形
状素材の半径方向の中心部および表層近傍より試験片を
採取し、化学成分分析（表８）および各種材料試験に供
した。材料試験結果を表９に示す。腐食試験、応力腐食
割れ試験は実施例１で述べた手法により実施したが、試
験期間は６ヶ月とした。いずれの特性も目標値を満足し
ている。このことは、本発明材を用いてタービンロータ
のような大型鋼塊を製造する場合に、特に、一旦製造し
たインゴットを再溶解したり、溶融金属の凝固過程にお
いて合金元素の濃化分を希釈したりする特殊溶解・特殊
造塊法を用いなくとも十分な特性が得られることを明ら
かにしたものであり、本発明材を用いれば、低コストに
地熱発電用タービンロータ、蒸気発電用低圧タービンロ
ータが製造されることを示している。

【００６６】（実施例６）

【００６７】

【表１０】

【００６８】

【表１１】

【００６９】実施例１に用いた本発明材０２を用いて、
焼入れ処理後繰り返し焼戻し処理に伴うオーステナイト
相の安定度の検討を行った結果を表１０に示す。試験
は、焼入れ後６００°Ｃで焼戻した後、室温にて第１回
目のオーステナイト量計測に供した。つづいて同試料を
液体窒素中に投入して１時間保持（サブゼロ処理）後、
室温に戻し２回目のオーステナイト量計測に供した。そ
の後、試料を再び６００°Ｃで焼戻し、室温にて第３回
目のオーステナイト量計測、同試料を液体窒素中で１時
間保持後、室温に戻して第４回目のオーステナイト量計
測を行った。さらに、同じ手順で同試料の焼戻し後、液
体窒素中保持後にそれぞれ第５回目、第６回目のオース
テナイト量計測を行った。オーステナイト量は、Ｘ線回
折ピークの大きさを比較することで求めた。

【００７０】１回焼戻し後のオーステナイト量は３４％
であるが、これをサブゼロ処理すると２０％に減じてい
る。これはオーステナイト相が熱的に不安定でサブゼロ
処理時にマルテンサイトに変態したことを示している。
オーステナイト相からマルテンサイトへの変態は体積膨
張を伴うものであり、これが積み重なると寸法変化を来
たしたり、局所的な応力を発生したりする。これはター
ビンの安定な運転を阻害するものである。２回目の焼戻
し後のオーステナイト量は３６％でありこれをサブゼロ
処理してもその量は３５％でほとんど変化しない。３回
目の焼戻しを施したものについても同様の結果である。
これは、２回以上の焼戻しを行うことによってオーステ
ナイト相が熱的に安定化することを示している。

【００７１】実施例２に用いた本発明材１１を用いて、
焼入れ処理後繰り返し焼戻し処理に伴うオーステナイト
相の安定度の検討を行った結果を表１１に示す。試験
は、焼入れ後５７５°Ｃで焼戻した後、室温にて第１回
目のオーステナイト量計測に供した。つづいて同試料を
液体窒素中に投入して１時間保持（サブゼロ処理）後、
室温に戻し２回目のオーステナイト量計測に供した。そ
の後、試料を再び５７５°Ｃで焼戻し、室温にて第３回
目のオーステナイト量計測、同試料を液体窒素中で１時
間保持後、室温に戻して第４回目のオーステナイト量計
測を行った。さらに、同じ手順で同試料の焼戻し後、液
体窒素中保持後にそれぞれ第５回目、第６回目のオース
テナイト量計測を行った。オーステナイト量は、Ｘ線回
折ピークの大きさを比較することで求めた。

【００７２】１回焼戻し後のオーステナイト量は２９％
であるが、これをサブゼロ処理すると１６％に減じてい
る。これはオーステナイト相が熱的に不安定でサブゼロ
処理時にマルテンサイトに変態したことを示している。
２回目の焼戻し後のオーステナイト量は３０％であり、
これをサブゼロ処理してもその量は３０％で変化しな
い。３回目の焼戻しを施したものについても同様の結果
である。これは、２回以上の焼戻しを行うことによって
オーステナイト相が熱的に安定化することを示してい
る。

【００７３】以上のように、５００〜７００°Ｃ（好ま
しくは５５０〜６５０°Ｃ）の間の温度域で２回以上の
焼戻し処理を行うことで、本発明材のオーステナイト相
が安定化し、タービン運転中の経年寸法変化を防止して
安定なタービンの運転が保証されることが明らかとなっ
た。

【００７４】

【発明の効果】本発明の１２Ｃｒ合金鋼は大型ロータ材
として必要な材料強度と延性・靭性を兼ね備え、加えて
良好な耐食性と極めて高い耐応力腐食割れ性を有してい
る。この材料を地熱タービン用ロータに用いることによ
って、過酷な腐食環境の地熱蒸気中でも安定した発電を
行う地熱発電プラントの建設が可能となり、ＣＯ₂の排
出を押えて地球環境に悪影響を及ぼすことなく電力の供
給を行うことが可能となる。

【００７５】また、蒸気タービンの低圧タービンロータ
に用いることによって、その信頼度を高めて定期点検等
の回数を減じることが可能となり、効率の良い発電を行
うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるタービンロータ用１２Ｃｒ合金
鋼のＣｒ等量とＳＣＣ亀裂長さの関係を示すグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28 (72)発明者藤田明次長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者高野勇作長崎市深堀町五丁目717番地１長菱エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 3G002 AA07 AA11 AA13 AB07 AB08 EA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：０．０１〜０．１０％、Ｓ
ｉ：０．０１〜０．５０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｒ：９〜１３％、Ｎｉ：２〜７％、Ｍｏ：０．３〜３
％、Ｎ：０．０１〜０．１０％を含有し、残部Ｆｅおよ
び付随的不純物よりなることを特徴とするタービンロー
タ用１２Ｃｒ合金鋼。
【請求項２】請求項１の成分に加えて、重量％で希土類
元素：０．００３〜０．０３％、Ｃａ：０．００１〜
０．００９％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％のう
ち、いずれか１種類以上を含有させてなることを特徴と
するタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼。
【請求項３】請求項１又は請求項２の合金鋼において、
付随的不純物のうち、不純物元素の量を重量％でＰ：
０．０１２％以下、Ｓ：０．００３％以下、Ａｌ：０．
０１２％以下、Ａｓ：０．００８％以下、Ｓｎ：０．０
０８％以下、Ｓｂ：０．００３％以下に制御したことを
特徴とするタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれかの合金鋼に
おいて、［Ｃｒ％］＋２［Ｓｉ％］＋１．５［Ｍｏ％］
−２［Ｎｉ％］−［Ｍｎ％］−１５［Ｃ％＋Ｎ％］で示
されるＣｒ等量が−２．０以上＋８．０以下であること
を特徴とするタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼。
【請求項５】前記合金鋼の製造工程において、所定の化
学成分に調整した溶融金属を鋳型に鋳込んで造塊する際
に、溶融金属の凝固過程における化学成分の調整を行わ
ず、また、一旦凝固した鋼塊の再溶解処理も行わないこ
とを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の
タービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼の製造方法。
【請求項６】前記合金鋼の熱処理工程において、焼入れ
処理後、５００〜７００°Ｃの間の温度領域で２回以上
焼戻しを行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のい
ずれかに記載のタービンロータ用１２Ｃｒ合金鋼の製造
方法。
【請求項７】請求項１〜請求項６のいずれかの合金鋼を
用いることを特徴とするタービンロータ。