JP2005232575A - 析出硬化型マルテンサイト鋼及びそれを用いたタービン翼 - Google Patents

Abstract

【課題】高い耐食性（耐孔食性）を有し、かつ翼材として必要な鍛造性・強度・靭性を備えたタービン翼材料の析出硬化型マルテンサイト鋼を提供する。
【解決手段】本発明の析出硬化型マルテンサイト鋼は、３．０〜３．７％の銅（Ｃｕ）と、４．０〜７．０％のニッケル（Ｎｉ）と、１５．０〜１６．０％のクロム（Ｃｒ）と、１．０〜２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、０．１５〜０．３５％のニオブ（Ｎｂ）と、０．０５５％以下の炭素（Ｃ）と、０．５０％以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．５０％以下のマンガン（Ｍｎ）と、残部が鉄及び不可避的不純物とからなる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高強度、高強靭性を有し、且つ高耐食性を有する析出硬化型マルテンサイト鋼及びそれを用いたタービン翼に関するものである。

従来、ガスタービン等の圧縮機動翼には、高強度、高靭性及び高耐食性が要求され、その材料としては周知のごとく例えば１２Ｃｒ鋼や析出硬化型マルテンサイト鋼である１７−４ＰＨ鋼（ＳＵＳ６３０）が使用されている（特許文献１）。

特開２０００−３４５８０５号公報

しかしながら、ガスタービン圧縮機内部における厳しい腐食環境では、翼材そのものの耐食性が不十分であるため孔食が生じることがあり、現状では耐食コーティングを施して使用している。
また、動翼材として用いるので高い引張強度、高い靭性が必要であり、一般に耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼は使用できない。

耐食コーティングを施した場合において、例えばエロージョンや腐食により耐食コーティングが無くなった場合には翼の母材が露出してしまうため、信頼性向上のためには母材そのものの耐食性向上が望まれている。

また、高耐食材料適用によりコーティングの省略化ができればコストダウンを図ることができる。

本発明は、前記問題に鑑み、例えばガスタービン圧縮機やガスコンプレッサーなどの厳しい腐食環境下において、高い耐食性（耐孔食性）を有し、かつ翼材として必要な鍛造性・強度・靭性を備えた動翼・静翼用材料の析出硬化型マルテンサイト鋼及びそれを用いたタービン翼を提供する。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、重量比で、３．０〜３．７％の銅（Ｃｕ）と、４．０〜７．０％のニッケル（Ｎｉ）と、１５．０〜１６．０％のクロム（Ｃｒ）と、１．０〜２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、０．１５〜０．３５％のニオブ（Ｎｂ）と、０．０５５％以下の炭素（Ｃ）と、０．５０％以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．５０％以下のマンガン（Ｍｎ）と、残部が鉄及び不可避的不純物とからなることを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼にある。

第２の発明は、第１の発明において、更に、０．１０％以下の窒素（Ｎ）を含むことを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、更に、３．０％以下のコバルト（Ｃｏ）を含むことを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、δフェライト析出量が１％以下であることを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼にある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの析出硬化型マルテンサイト鋼を用いたタービン翼にある。

本発明によれば、高強度で高靭性であると共に耐食性が良好である析出硬化型のマルテンサイト鋼を得ることができる。また、それを用いたタービン翼を提供することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態、実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態、実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

以下、本発明にかかる析出硬化型マルテンサイト鋼に含まれる成分及びその含有量について説明する。なお、以下の説明において、特に説明のない限り、含有量を表す％は重量比である。

本発明の析出硬化型マルテンサイト鋼は、３．０〜３．７％の銅（Ｃｕ）と、４．０〜７．０％のニッケル（Ｎｉ）と、１５．０〜１６．０％のクロム（Ｃｒ）と、１．０〜２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、０．１５〜０．３５％のニオブ（Ｎｂ）と、０．０５５％以下の炭素（Ｃ）と、０．５０％以下のケイ素（Ｓｉ）と、０．５０％以下のマンガン（Ｍｎ）と、残部が鉄及び不可避的不純物とからなるものである。

ここで、銅（Ｃｕ）は、銅リッチ相の析出による析出硬化に寄与するためのものであり、３．０〜３．７％範囲含有させる必要がある。
これは、銅の下限値が３．０％未満であると、有効な析出硬化能を発現することができない点で好ましくなく、一方、上限値が３．７％を超えると過剰な銅リッチ相の析出により靭性や熱間鍛造性を著しく低下させる点で好ましくないからである。

ニッケル（Ｎｉ）は、δフェライト相の析出を抑制するものであり、４．０〜７．０％範囲を含有させる必要がある。これは、δフェライト相が１％未満の析出量とするためには少なくとも４．０％含有させる必要があるからであり、一方、７．０％を超えると、残留オーステナイト相が生成し、必要とする強度が得られず、強度不足となる点で好ましくないからである。

クロム（Ｃｒ）は、優れた耐食性を得るために有効な元素であり、１５．０〜１６．０％のクロム（Ｃｒ）範囲含有させる必要がある。
これは、耐食性を向上させるために、少なくとも１５．０％以上のクロムの添加が必要であり、一方、１６．０％を超えると、δフェライト相が生成し、引張強さや靭性等の機械特性を悪化させる原因となる点で好ましくないからである。

モリブデン（Ｍｏ）は、クロム（Ｃｒ）と共に耐食性を向上させるために有効な元素であり、本発明では不可欠な元素であり、１．０〜２．０％範囲含有させる必要がある。
これは、必要とする耐食性を得るためには少なくとも１．０％以上のモリブデンを含有する必要があり、一方、モリブデンの上限値が２．０％を超えると、δフェライト相の析出が助長され、靭性低下の要因となる点で好ましくないからである。

ニオブ（Ｎｂ）は、炭化物を形成して強度の向上に寄与するために有効な元素であり、
０．１５〜０．３５％範囲含有させる必要がある。

また、炭素（Ｃ）は、δフェライトを抑制する上で有効な元素であり、０．０５５％以下とするのが好ましい。これは、炭素含有量が増加すると残留オーステナイト相が生成し、十分な強度を得ることができないからである。

また、ケイ素（Ｓｉ）は溶鋼の脱酸化剤として有効な元素であり、０．５０％以下とするのが好ましい。これは、ケイ素含有量が増加すると、δフェライト相の生成が助長され、強度及び靭性が低下するので、好ましくないからである。

また、マンガン（Ｍｎ）はδフェライト相の生成を抑制する上で有効な元素である。しかし、マンガンの含有量が増加すると、残留オーステナイト相が生成し、十分な強度を得ることができない、よって、マンガンの含有量は、０．５０％以下とするのが好ましい。

また、窒素（Ｎ）は耐食性の向上及びδフェライト相の析出を抑制する上で有効な元素であり、必要に応じて０．１０％以下とするのが好ましい。これは、Ｎ含有量が０．１０％以上に増加すると残留オーステナイト相の生成により強度不足となり好ましくないからである。

また、コバルト（Ｃｏ）は、δフェライト相の析出を抑制し、相安定性を高めるうえで有効な元素であり、必要に応じて３．０％以下とするのが好ましい。これは、コバルトが３．０％を超えると残留オーステナイト相が生成し、マルテンサイト単相組織が得られず、強度不足となり好ましくないからである。

高強度、高靭性及び優れた機械的特性の観点からδフェライト相の析出は体積分率で１％以内にすることが好ましい。δフェライト相の析出は、クロム（Ｃｒ）当量とニッケル（Ｎｉ）当量との関係で規定することができる。
［Ｎｉ当量］＝２．８６［Ｃｒ当量］―４７．２７及び［Ｎｉ当量］＝１０．８１で規定される範囲内に成分を調整することにより、δフェライト相の析出及び残留オーステナイト相の析出を抑制することができる。
［Ｃｒ当量］＝［Ｃｒ］＋２［Ｓｉ］＋１．５［Ｍｏ］＋５．５［Ａｌ］＋１．７５［Ｎｂ］＋１．５［Ｔｉ］・・・（１）
［Ｎｉ当量］＝［Ｎｉ］＋３０［Ｃ］＋０．５［Ｍｎ］＋２５［Ｎ］＋０．３［Ｃｕ］・・・（２）

なお、耐食性の向上にはモリブデン（Ｍｏ）の添加量は多いほどよいが、組織安定性が悪化し、δフェライト相の析出により機械的性質（引張強度、靭性）が悪化する。

本発明で、δフェライト量の測定は、ＡＭＳ２３１５またはＪＩＳＧ０５５５の記載における点算法により測定すればよい。

また、図１に示すシェフラーの状態図に示すように、［Ｎｉ当量（ｙ）］と［Ｃｒ当量（ｘ）］との関係が、［Ｎｉ当量（ｙ）］＝１０．１０、［Ｎｉ当量（ｙ）］＝５．１６［Ｃｒ当量（ｘ）］−９２．８６で規定される範囲内に存在するように、上述した組成を調整するようにすればよい。これにより、δフェライト相の析出及び残留オーステナイト相の析出を抑制することができる。

一方、耐食性に関しては、孔食電位（ｍＶ ｖｓ ＡｇＡｇ／Ｃｌ）とＣｒ＋Ｍｏ量の間に良い相関が有り、[孔食電位]＝６０．３［Ｃｒ＋３．３Ｍｏ]−９０１．６の関係で表される。
後述する実施例に示すように、孔食電位２００ｍＶ以上の目標値を満足するには、概ね１％以上のＭｏ添加が必要である。
以上より、耐食性（孔食電位２００ｍＶ以上）と組織安定性(δフェライト１％以下)を両立するＭｏ添加量は、１．０〜２．０%の範囲が好適であることが判明した。

また、孔食電位は、ＪＩＳＧ０５７７に記載におけるステンレス鋼の孔食電位測定方法に準拠し、試験液は３％ＮａＣｌ溶液、試験温度は室温、掃引速度は２０ｍｖ／ｍｉｎの条件にて測定した。

本発明のマルテンサイト鋼は、例えばガスタービンの圧縮機動翼、タービン動翼、タービン静翼等に適用することができる。
また、翼母材そのものの耐食性が良好であるため、耐食コーティング膜が剥離した場合においても、耐久性が向上する。

以下、実施例に基づき、本発明についてさらに詳細に説明する。
表１は、蒸気タービンの翼材料にかかる高強度鋼の化学組成（重量％）であり、残部は鉄（Ｆｅ）と不可避的不純物からなる。各試料はそれぞれ５０ｋｇ高周波真空溶解した後、角材または丸棒に熱間鍛造して、以下の熱処理に供した。

比較例１は従来より用いられている１７−４ＰＨ鋼であり、１０３８℃で１時間加熱後強制空冷して溶体化処理を行い、その後５６８℃で３時間空冷して、時効処理を行った。
比較例２は従来より用いられているＣＵＳＴＯＭ４５０鋼であり、１０４０℃で１時間加熱して強制空冷して溶体化処理を行い、その後５６８℃で４時間空冷して、時効処理を行った。
試験例１乃至５及び比較例３乃至８は、１０００℃で１時間加熱後強制空冷して溶体化処理を行い、その後５６８℃で４時間空冷して、時効処理を行った。

これら、試験例及び比較例について、室温（２０℃）において、０．２％耐力（ＭＰａ）、引張強度（ＭＰａ）、シャルピー吸収エネルギー（Ｊ）、δフェライト析出量（％）、孔食電位（ｍＶ）の各測定を行った。
その結果を、表２及び図１乃至３に示す。
図１は、シェフラー状態図であり、横軸（ｘ）はＣｒ当量％を縦軸（ｙ）はＮｉ当量％を示す。図２は、Ｃｒ当量とδフェライト相析出量との関係図であり、横軸（ｘ）はＣｒ当量％を、縦軸（ｙ）はδフェライト相析出量％を示す。図３は、耐食性試験の結果を示し、横軸は一般に耐孔食性の指標となるＣｒ＋３．３Ｍｏ（重量％）を、縦軸は孔食電位（ｍＶ）を示す。

本試験例１乃至５は、図１に示すシェフラー状態図、図２に示すＣｒ当量とδフェライト相析出量との関係図、及び耐食性試験のいずれにおいても良好な結果であり、高強度、高靭性であり、且つ耐食性を満足するものであった。
なお、強度目標値（室温）は、０．２％耐力は９００ＭＰａ以上、引張強さは９５０ＭＰａ以上、シャルピー吸収エネルギーは２０Ｊ以上、δフェライト析出量は1％以下及び孔食電位は２００ｍＶ以上とした。

これに対して、比較例１及び２の従来のものは耐食性の指標である孔食電位が２００ｍＶ以下であり、耐食性に劣ることが判明した。

また、図１に示すシェフラー状態図においては、試験例１乃至５は全て、［Ｎｉ当量（ｙ）］＝１０．１０、［Ｎｉ当量（ｙ）］＝５．１６［Ｃｒ当量（ｘ）］−９２．８６で規定される範囲（図中網掛け範囲）内に存在しているが、さらには、両者の交点近傍に位置するような組成とするのが好ましい。これにより、δフェライト相の析出及び残留オーステナイト相の析出を抑制することができる。

また、表２に示すように、比較例３等に示すように、Ｍｏの添加量は多いほど耐食性が向上する。しかしながら、図２に示すように、組織安定性が犠牲となりδフェライト相の析出が生じる。このδフェライト相の多量析出により機械的性質(引張強度、靭性)が低下するため、これまでの比較例１（１７−４ＰＨ材）の翼使用実績を元に、δフェライト量の上限は１％以下とするのが好ましいとした。よって、Ｍｏの添加は２．０％程度とするのが好ましい。なお、Ｃｏを含まない比較例３とＣｏを含む比較例７に示すように、３．０％程度のＣｏ添加によりδフェライト析出量が大幅に低減できる。よって、２．０％の上限程度のＭｏを含む場合にＣｏを添加すれば、さらに相安定性に優れた成分とすることが可能である。

実施例１の試験例１の化学成分にてＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｌｕｇ Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ)による再溶解を実施し、熱間鍛造により直径２００ｍｍ程度の丸棒状の素材を作製した。その後翼根等の各部位の肉厚により径の異なる串団子状に荒地鍛伸を施し、高温に加熱後型鍛造によりニアネット形状とした後、熱処理を行った。
熱処理は、１０００℃で１時間加熱後空冷して溶体化処理を施し、５７５℃で４時間加熱後空冷して時効処理を行った。
翼面研磨・機械加工により仕上げ加工を行い、図４に示す翼根１１を有する圧縮機翼１２を作製した。作製した翼の各部位から採取した試験片の機械特性はいずれも良好な値を示し、組織もδフェライトの析出は認められず、健全な性状であることを確認した。

また、シャルピー試験は全ての部位で１３０Ｊ以上であった。

図５に各部位（翼先端（Ｌ）、翼中央（Ｌ）、翼根（Ｌ）、翼根（Ｔ））での引張り試験結果を示す。なお、ＬとＴは図４に示す引張り方向である。図５に示すように、試験の結果は全ての部位において良好であった。

以上のように、本発明にかかるマルテンサイト鋼は、高強度で高靭性であると共に耐食性を満足するので、例えば蒸気タービンやガスタービン、圧縮機のタービン等の翼に適用することができる。

シェフラーの状態図である。 Ｃｒ当量とδフェライト析出量との関係図である。 シェフラーの状態図である。 翼の模式図である。 引張強度の試験結果を示す図である。

符号の説明

１１ 翼根
１２ 圧縮機翼

Claims (5)

1. 重量比で、
   ３．０〜３．７％の銅（Ｃｕ）と、
   ４．０〜７．０％のニッケル（Ｎｉ）と、
   １５．０〜１６．０％のクロム（Ｃｒ）と、
   １．０〜２．０％のモリブデン（Ｍｏ）と、
   ０．１５〜０．３５％のニオブ（Ｎｂ）と、
   ０．０５５％以下の炭素（Ｃ）と、
   ０．５０％以下のケイ素（Ｓｉ）と、
   ０．５０％以下のマンガン（Ｍｎ）と、
   残部が鉄及び不可避的不純物とからなることを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼。
2. 請求項１において、
   更に、０．１０％以下の窒素（Ｎ）を含むことを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼。
3. 請求項１又は２において、
   更に、３．０％以下のコバルト（Ｃｏ）を含むことを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   δフェライト析出量が１％以下であることを特徴とする析出硬化型マルテンサイト鋼。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つの析出硬化型マルテンサイト鋼を用いたタービン翼。

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