JP2011011240A

JP2011011240A - 高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部の肉盛用溶接材料

Info

Publication number: JP2011011240A
Application number: JP2009158458A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Shimada; 徹郎嶋田; Rinzo Kayano; 林造茅野; Tomoyuki Takahashi; 智之高橋
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: JP5138639B2

Abstract

【課題】高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部に、強度、靱性に優れた肉盛溶接部を形成することが可能な溶接材料を提供する。
【解決手段】質量％で、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％を含有し、所望によりＮｂ：０．００５％〜０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０ｌ％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎ：０．００２％以下に規制する組成を有する溶接材料とする。高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受け部に、強度および靱性に優れた肉盛り部をＴＩＧ溶接により形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受け部に肉盛される溶接材料に関するものである。

高Ｃｒ鋼は高温強度や低温靭性が優れているため、発電機の高圧、中圧タービンロータ素材として使用が拡大されてきている。しかし、上記素材はＣｒを多く含有することに起因して、使用中にジャーナルやスラストといった軸受け部で焼付けを生じ易く、損傷を招く恐れがある。そのため、従来はロータの軸受け部に低合金鋼を肉盛溶接して焼付けの発生を防止する方法が提案されており、主にサブマージアーク溶接用の溶接材料や溶接方法が開発されている（例えば特許文献１〜５参照）。

特開昭５７−１３７４５６号公報特開平４−８１２９３号公報特開平６−２７２５０３号公報特開平９−７６０９１号公報特開平１０−６０８０号公報

上記のように、高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受け部に肉盛する溶接方法としては、これまでは作業効率の点からサブマージアーク溶接が主な溶接方法であるが、同溶接方法ではスラグの巻き込みに起因した微小欠陥の完全な撲滅は難しい。
そこで、本発明は、高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部に求められる強度や靭性を満足するＴＩＧ溶接に好適な溶接材料を提供することを目的とする。

すなわち、第１の本発明の高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部の肉盛用溶接材料は、質量％で、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％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０ｌ％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎ：０．００２％以下に規制することを特徴とする。

第２の本発明の高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部の肉盛用溶接材料は、前記第１の本発明において、さらに、質量％で、Ｎｂ：０．００５％〜０．０５％を含有することを特徴とする。

以下に、本発明における成分を規定した理由について説明する。なお、以下における含有量はいずれも質量％で示される。

Ｃ：０．０３〜０．２％
溶接部の引張強度を確保するという観点からはＣは必要な添加元素であるため０．０３％を下限とした。しかし、０．２％を越える含有は衝撃値を下げること、溶接割れ感受性が高くなることから、０．２％を上限とした。なお、同様の理由で下限を０．０７％、上限を０．１５％とするのが望ましい。

Ｓｉ：０．２〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤として、あるいは強度確保のために必要な元素であるため０．２％を下限とした。しかし、過剰な含有はＳＲ割れ等の溶接割れ性を助長し、また靭性の低下を招くので１．０％を上限とした。なお、同様の理由で下限を０．３％、上限を０．７％とするのが望ましい。

Ｍｎ：０．３〜３．０％
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として、あるいは強度確保のために必要な元素であるため０．３％を下限とした。しかし過剰な含有は靭性の低下を招くので３．０％を上限とした。なお、同様の理由で下限を１．０％、上限を２．５％とするのが望ましい。さらに、下限を１．５％とするのが一層望ましい。

Ｃｒ：１．０〜２．５％
Ｃｒは強度と靭性を確保する上で重要な元素であり、軸受け部として十分な強度を得るため、１．０％を下限とした。しかし、過剰の含有は焼付きを起こし易くするため２．５％を上限とした。なお、同様の理由で下限を１．２％、上限を１．７％とするのが望ましい。

Ｍｏ：０．１〜１．５％
ＭｏはＳＲ（応力除去熱処理）中に炭化物として析出し焼戻し軟化抵抗を高めるため、ＳＲ後の強度を得る上で重要な元素であり、軸受け部として十分な強度を得るために０．１％を下限とした。しかし、過剰な含有はＳＲ割れ性を高め、また靭性の低下を招くため１．５％を上限とした。なお同様の理由で下限を０．４％、上限を１．０％とするのが望ましい。

Ｔｉ：０．００８〜０．０５％
Ｔｉは、強度を確保するために重要な元素であり、軸受け部として十分な強度を得るためには０．００８％以上が必要である。しかし、過剰の含有は溶接割れ感受性を高めるため上限を０．０５％とした。なお同様に理由で、０．０２％を上限とするのが望ましい。

Ｎ：０．００２％以下
Ｎは過剰に含有すると強度が低下するため０．００２％を上限とした。その理由は、ＴｉＮはＴｉＣより析出強化能が小さく、Ｎが過剰に含有されると、ＴｉＮの析出の割合が大きくなり、ＴｉＣによる強化能が十分に得られず、強度が低下するためである。なお、同様の理由でさらに、上限を０．００１５％とするのが望ましい。

Ｐ：０．０１％以下
Ｐは、金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素であり、溶接性を劣化させるので、可能な限り低減することが望ましい。したがって、Ｐの含有量は０．０１％以下とした。

Ｓ：０．００５％以下
Ｓも金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素であり、溶接性を劣化させるので、可能な限り低減することが望ましい。したがって、Ｓの含有量は０．００５％以下とした。

Ｎｉ：０．１〜０．５％
Ｎｉは強度および靭性を向上させるため含有させる。ただし、その作用を十分に得るために、下限を０．１％とする。一方、過剰な含有は溶接割れ感受性を高め、またコストも高くなるため０．５％を上限とした。

Ｎｂ：０．００５〜０．０５％
Ｎｂは必須元素ではないが、微量に含有すると靭性を向上させるので所望により含有させる。ただし、所望により含有させる場合、その作用を十分に得るために、下限を０．００５％とする。一方、過剰な含有は溶接割れ感受性を高め、また靭性低下を招くため０．０５％を上限とした。

以上説明したように、本発明の高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部の肉盛用溶接材料によれば、質量％で、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％を含有し、所望によりＮｂ：０．００５〜０．０５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０ｌ％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎ：０．００２％以下に規制するので、高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受け部に、強度および靱性に優れた肉盛り部を形成することができ、しかも、下盛層・上盛層ともにＴＩＧ溶接法により溶接施工することが可能になる。したがって、全層自動溶接で施工可能となり、作業者によるバラツキを抑制でき安定した品質の高Ｃｒ鋼製タービンロータを提供できる。

本発明の溶接材料が適用されるタービンロータを示す図である。同じく、実施例において溶接材料の肉盛り溶接試験を行った平板を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態を示す。
図１は、本発明の肉盛用溶接材料が適用される高Ｃｒ鋼製タービンロータ１を示すものである。該タービンロータ１は、高Ｃｒ鋼で構成されており、例えば、９〜１３％のＣｒを含有する鋼が例示される。本発明としては、該タービンロータの組成は特定のものに限定されるものではなく、タービンロータに使用可能な高Ｃｒ鋼であればよい。
このタービンロータ１は、軸受け部としてジャーナル部２とスラスト部３とを有しており、一方または両方に本発明の溶接材料を用いて肉盛り部を形成することができる。

肉盛り部の形成に際しては、下盛層を形成し、その上層に本発明の溶接材料を用いて上盛層を形成するのが望ましい。また、肉盛り部の全層を本発明の溶接材料により形成することも可能である。
なお、下盛層は残留応力低減のために母材の高Ｃｒ鋼よりも線膨張係数の大きな材料を用いるのが望ましく、純Ｆｅや軟鋼からなる溶接材料を用いることができる。
上記下盛層、上盛層の形成または全層の形成は、ＴＩＧ溶接により行うのが望ましい。該ＴＩＧ溶接における溶接条件は、本発明としては特に限定されるものではなく、例えば常法により行うこともできる。該ＴＩＧ溶接により、サブマージアーク溶接のようにスラグの巻き込みを招くことなく清浄な肉盛り部が得られ、靱性、強度に優れた特性が得られる。

表１に示す組成（残部がＦｅおよび不可避の不純物）の溶接材料を用意し、表２に示す溶接条件で平板に肉盛溶接を行った。平板１０は、図２に示す形状を有しており、該平板１０の表面に上記溶接材料によって肉盛り溶接金属１１を形成した。
その後、６２０℃×２５時間の加熱を行い、得られた肉盛溶接金属１１から試験片を切り出し、その強度と靭性を評価した。その結果を表３に示す。強度の評価は、０．０２％Ｙ．Ｓ．が６５０ＭＰａ以上かつＴ．Ｓ．が７５０ＭＰａ以上であるものを合格（○）とし、靭性の評価はｖＥ２０℃が１５Ｊ以上のものを合格（○）とした。そして、強度および靭性が共に合格のものを総合評価として合格（○）とした。

以上のように、本発明材である実施例３〜６は、強度、靱性ともに優れた結果を示している。一方、Ｔｉを含有しない比較例１、２では、十分な強度が得られなかった。また、Ｔｉを含有していても、Ｎを多く含有する比較例７、８では、十分な強度が得られなかった。

１タービンロータ
２ジャーナル部
３スラスト部

Claims

質量％で、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％を含有し、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０ｌ％以下、Ｓ：０．００５％以下、Ｎ：０．００２％以下に規制することを特徴とする高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部の肉盛用溶接材料。
さらに、質量％で、Ｎｂ：０．００５％〜０．０５％を含有することを特徴とする請求項１に記載の高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受け部の肉盛用溶接材料。