JP2016065280A - Heat resistant steel and steam turbine rotor component part - Google Patents

Heat resistant steel and steam turbine rotor component part Download PDF

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春樹 大西
Haruki Onishi
春樹 大西
山田 政之
Masayuki Yamada
政之 山田
中谷 祐二郎
Yujiro Nakatani
祐二郎 中谷
村上 格
Itaru Murakami
格 村上
健一 今井
Kenichi Imai
健一 今井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heat resistant steel and a steam turbine component part capable of achieving enhancement of long term creep rupture life and excellent in high temperature property, durability or the like.SOLUTION: The heat resistant steel of the embodiment contains, by mass%, C: 0.05 to 0.13%, Si: 0.01 to less than 0.10%, Mn: over 0.15% and 0.50% or less, Ni: 0.01% to less than 0.40%, Cr: 9 to 11.5%, Mo: 0.01 to 0.50%, V: 0.15 to 0.30%, Co: over 1.5 to 4.0%, W: over 2.6% to 4.0% or less, N: 0.010 to less than 0.025%, Nb: 0.01% to 0.15%, B: 0.005 to 0.015%, Re: 0.001 to 0.300% with the balance Fe and inevitable impurities.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明の実施形態は、耐熱鋼および蒸気タービン構成部品に関する。   Embodiments of the invention relate to heat resistant steel and steam turbine components.

火力発電システムでは、発電効率を一層高効率化するために、蒸気タービンの蒸気温度を上昇させる傾向にある。その結果、蒸気タービンに使用される耐熱鋼に要求される高温特性も一層厳しくなる。   Thermal power generation systems tend to increase the steam temperature of the steam turbine in order to further increase the power generation efficiency. As a result, the high temperature characteristics required for heat resistant steels used in steam turbines become even more severe.

これまでにも、蒸気タービンに使用される耐熱鋼として多くの提案がなされている。しかしながら、これらの耐熱鋼でも、長期間クリープ破断強度は必ずしも十分でない。蒸気タービンに使用される耐熱鋼として、一層の発電効率の向上に貢献するためには、長時間クリープ破断寿命をより一層向上させる必要がある。   Until now, many proposals have been made as heat resistant steels used in steam turbines. However, even these heat-resistant steels do not necessarily have sufficient long-term creep rupture strength. In order to contribute to further improvement in power generation efficiency as a heat-resistant steel used in a steam turbine, it is necessary to further improve the long-time creep rupture life.

特開平8−176749号公報JP-A-8-176749 特許第4284010号Japanese Patent No. 4284010

本発明が解決しようとする課題は、長時間クリープ破断寿命の向上を図ることができ、高温特性や耐久性等に優れた耐熱鋼および蒸気タービン構成部品を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide heat resistant steel and steam turbine components that can improve the creep rupture life for a long time and are excellent in high temperature characteristics and durability.

実施形態の耐熱鋼は、質量%で、C:0.05〜0.13%、Si:0.01〜0.10%未満、Mn:0.15%を超えて0.50%以下、Ni:0.01%〜0.40%未満、Cr:9〜11.5%、Mo:0.01〜0.50%、V:0.15〜0.30%、Co:1.5を超えて4.0%、W:2.6%を超えて4.0%以下、N:0.010〜0.025%未満、Nb:0.01%〜0.15%、B:0.005〜0.015%、Re:0.001〜0.300%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。   The heat-resisting steel of the embodiment is mass%, C: 0.05 to 0.13%, Si: 0.01 to less than 0.10%, Mn: more than 0.15% and 0.50% or less, Ni : 0.01% to less than 0.40%, Cr: 9 to 11.5%, Mo: 0.01 to 0.50%, V: 0.15 to 0.30%, Co: over 1.5 4.0%, W: more than 2.6% and 4.0% or less, N: 0.010 to less than 0.025%, Nb: 0.01% to 0.15%, B: 0.005 -0.015%, Re: 0.001-0.300% is contained, and the remainder consists of Fe and inevitable impurities.

本発明に係る実施の形態において、発明者らは、発電システムにおける発電効率の高効率化や、蒸気タービンの長期耐久性の向上等を可能にするため、蒸気タービンの動翼やタービンロータなどの蒸気タービン構成部品に用いる耐熱鋼について、長期間クリープ破断寿命の向上を図るべく鋭意研究を進めた結果、上記特性の向上を図るためには、Mn含有量、Ni含有量およびCo含有量の適正化を図ることが有効であることを見出した。   In an embodiment according to the present invention, the inventors have made it possible to improve the efficiency of power generation in a power generation system, improve the long-term durability of a steam turbine, etc. As a result of diligent research to improve the long-term creep rupture life of heat-resistant steel used for steam turbine components, in order to improve the above characteristics, the Mn content, Ni content and Co content should be appropriate. It was found that it is effective to make it easier.

実施形態の耐熱鋼は、質量%で、C:0.05〜0.13%、Si:0.01〜0.10%未満、Mn:0.15%を超えて0.50%以下、Ni:0.01%〜0.40%未満、Cr:9〜11.5%、Mo:0.01〜0.50%、V:0.15〜0.30%、Co:1.5を超えて4.0%、W:2.6%を超えて4.0%以下、N:0.010〜0.025%未満、Nb:0.01%〜0.15%、B:0.005〜0.015%、Re:0.001〜0.300%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。   The heat-resisting steel of the embodiment is mass%, C: 0.05 to 0.13%, Si: 0.01 to less than 0.10%, Mn: more than 0.15% and 0.50% or less, Ni : 0.01% to less than 0.40%, Cr: 9 to 11.5%, Mo: 0.01 to 0.50%, V: 0.15 to 0.30%, Co: over 1.5 4.0%, W: more than 2.6% and 4.0% or less, N: 0.010 to less than 0.025%, Nb: 0.01% to 0.15%, B: 0.005 -0.015%, Re: 0.001-0.300% is contained, and the remainder consists of Fe and inevitable impurities.

上記した実施の形態の耐熱鋼における各組成成分範囲の限定理由を説明する。なお、以下の説明において組成成分を表す%は、特に明記しない限り質量%とする。   The reason for limiting each component range in the heat resistant steel of the above-described embodiment will be described. In the following description, “%” representing a composition component is “% by mass” unless otherwise specified.

耐熱鋼における不可避的不純物としては、例えばPおよびSなどが挙げられる。   Examples of inevitable impurities in the heat-resistant steel include P and S.

(1)C(炭素)
Cは、焼入性を確保し、マルテンサイト変態を促進させるとともに、合金中のFe、Cr、MoなどとM23型の炭化物を形成したり、Nb、V、NなどとMX型炭窒化物を形成して、析出強化により高温クリープ強度を高めるために不可欠な元素である。Cは、耐力の向上にも寄与するとともに、δフェライトやBN生成の抑制にも不可欠な元素である。これらの効果を発揮させるために、Cを0.05%以上含有することが必要である。一方、Cの含有率が0.13%を超えると、炭化物や炭窒化物の凝集や粗大化が起こりやすくなり高温クリープ破断強度が低下する。そのため、Cの含有率を0.05〜0.13%とした。同様の理由により、Cの含有率を0.08〜0.12%とすることが好ましい。
(1) C (carbon)
C secures hardenability and promotes martensitic transformation, forms M 23 C 6 type carbide with Fe, Cr, Mo, etc. in the alloy, and MX type charcoal with Nb, V, N, etc. It is an indispensable element for forming nitrides and increasing high temperature creep strength by precipitation strengthening. C contributes to improvement in yield strength and is an indispensable element for suppressing the formation of δ ferrite and BN. In order to exhibit these effects, it is necessary to contain 0.05% or more of C. On the other hand, if the C content exceeds 0.13%, the agglomeration and coarsening of carbides and carbonitrides easily occur and the high temperature creep rupture strength decreases. Therefore, the C content is determined to be 0.05 to 0.13%. For the same reason, the C content is preferably 0.08 to 0.12%.

(2)Si(ケイ素)
Siは、溶鋼の脱酸剤として有効な元素である。Si含有率が0.10%以上になると、鋼塊内部の偏析が増加し、焼戻し脆化感受性が極めて高くなる。そして、切欠靭性が損なわれ、高温で長時間保持することにより、析出物形態の変化が助長され、靭性が経時劣化する。一方、Siは、極微量を含有することにより、逆に偏析が低下するため、これらの効果を発揮させるために、Siを0.01%以上含有することが必要である。そのため、Siの含有率を0.01〜0.10%未満とした。同様の理由により、Siの含有率を0.0
3〜0.10%未満とすることが好ましい。
(2) Si (silicon)
Si is an element effective as a deoxidizer for molten steel. When the Si content is 0.10% or more, segregation inside the steel ingot increases and the tempering embrittlement sensitivity becomes extremely high. And notch toughness is impaired, and by maintaining for a long time at high temperature, the change of a precipitate form is promoted and toughness deteriorates with time. On the other hand, when Si contains a trace amount, segregation decreases conversely, so that it is necessary to contain 0.01% or more of Si in order to exert these effects. Therefore, the Si content is determined to be 0.01 to less than 0.10%. For the same reason, the Si content is set to 0.0%.
It is preferable to set it as 3 to less than 0.10%.

(3)Mn(マンガン)
Mnは、溶解時の脱酸剤や脱硫剤として有効であり、また焼入性を高めて強度を向上させるのにも有効な元素である。この効果を発揮させるために、Mnを0.15%以上含有させることが必要である。一方、Mnの含有率が0.50%を超えると、MnはSと結びついてMnSの非金属介在物を形成して、靭性を低下させるとともに、靭性の経時劣化を助長し、また高温クリープ破断強度を低下させる。そのため、Mnの含有率を0.15%を超えて0.50%以下とした。同様の理由により、Mnの含有率を0.15を超えて0.30%以下とすることが好ましい。
(3) Mn (manganese)
Mn is an element that is effective as a deoxidizing agent and a desulfurizing agent at the time of dissolution, and also effective in improving hardenability and improving strength. In order to exhibit this effect, it is necessary to contain 0.15% or more of Mn. On the other hand, when the Mn content exceeds 0.50%, Mn combines with S to form non-metallic inclusions of MnS, lowering the toughness, promoting toughness deterioration with time, and high-temperature creep rupture. Reduce strength. Therefore, the Mn content is more than 0.15% and 0.50% or less. For the same reason, the Mn content is preferably more than 0.15 and not more than 0.30%.

(4)Ni(ニッケル)
Niの含有率が0.4%以上になると、炭化物やラーベス相の凝集や粗大化が助長され、高温クリープ破断強度を低下させる。そのため、Niの含有率を0.4%未満とした。一方、Niはδフェライトの生成を抑制し、靭性の向上に有用な元素であるため、0.01%以上含有することが好ましい。そのため、Niの含有率を0.01〜0.40%未満とした。同様の理由により、Niの含有率を0.01〜0.30%とすることが好ましい。
(4) Ni (nickel)
When the Ni content is 0.4% or more, the agglomeration and coarsening of carbides and Laves phases are promoted, and the high temperature creep rupture strength is reduced. Therefore, the Ni content is set to less than 0.4%. On the other hand, since Ni is an element that suppresses the formation of δ ferrite and is useful for improving toughness, it is preferably contained in an amount of 0.01% or more. Therefore, the Ni content is determined to be 0.01 to less than 0.40%. For the same reason, the Ni content is preferably 0.01 to 0.30%.

(5)Cr(クロム)
Crは、耐酸化性および高温耐食性を高め、また、M23型炭化物による析出強化により高温クリープ破断強度を高めるために必要不可欠の元素である。これらの効果を発揮させるために、Crを9%以上含有することが必要である。一方、Crの含有量が高くなるにつれて、室温における引張強度や、高応力側の短時間クリープ破断強度は強くなるが、その反面、低応力側の長時間クリープ破断強度は低くなる傾向にある。これは、低応力側の長時間クリープ破断寿命の屈曲現象の一因とも考えられている。Cr含有量が多くなると、長時間域でMX型炭窒化物の消失が加速すること、M23型炭化物の凝集粗大化が加速することにより、マルテンサイト組織の下部組織(微細組織)の顕著な変化が生じ、下部組織のサブグレイン化が著しく進むことがその原因である。これらの傾向は、Cr含有量が11.5%を超えると急速に強まる。そのため、Crの含有率を9〜11.5%とした。同様の理由により、Crの含有率を9〜11%とすることが好ましい。
(5) Cr (chrome)
Cr is an indispensable element for improving oxidation resistance and high-temperature corrosion resistance and for increasing high-temperature creep rupture strength by precipitation strengthening with M 23 C 6 type carbide. In order to exert these effects, it is necessary to contain 9% or more of Cr. On the other hand, as the Cr content increases, the tensile strength at room temperature and the short-time creep rupture strength on the high stress side increase, but on the other hand, the long-term creep rupture strength on the low stress side tends to decrease. This is considered to be a cause of the bending phenomenon of long creep rupture life on the low stress side. When the Cr content increases, the disappearance of the MX type carbonitride accelerates in a long time region, and the aggregation and coarsening of the M 23 C 6 type carbide accelerates, so that the substructure (microstructure) of the martensite structure This is due to significant changes and significant subgraining of the underlying tissue. These tendencies increase rapidly when the Cr content exceeds 11.5%. Therefore, the Cr content is determined to be 9 to 11.5%. For the same reason, the Cr content is preferably 9 to 11%.

(6)Mo(モリブデン)
Moは、合金中に固溶してマトリックスを固溶強化させるとともに、微細炭化物や微細なラーベス相を生成して高温クリープ破断強度を向上させる。また、Moは、焼戻脆化の抑制にも有効な元素である。これらの効果を発揮させるために、Moを0.01%以上含有することが必要である。一方、Moの含有量が0.50%を超えると、δフェライトを生成して、靱性を著しく低下させる。そのため、Moの含有率を0.01〜0.50%とした。同様の理由により、Mo含有率を0.01〜0.40%とすることが好ましい。
(6) Mo (molybdenum)
Mo is dissolved in the alloy to strengthen the matrix, and fine carbides and a fine Laves phase are generated to improve the high temperature creep rupture strength. Mo is an element effective for suppressing temper embrittlement. In order to exhibit these effects, it is necessary to contain Mo 0.01% or more. On the other hand, if the Mo content exceeds 0.50%, δ ferrite is generated, and the toughness is significantly reduced. Therefore, the Mo content is determined to be 0.01 to 0.50%. For the same reason, the Mo content is preferably 0.01 to 0.40%.

(7)V(バナジウム)
Vは、微細な炭化物や炭窒化物を形成して、高温クリープ破断強度を向上させるのに有効な元素である。この効果を発揮させるために、Vを0.15%以上含有することが必要である。一方、Vの含有率が0.30%を超えると、炭化物の過度の析出が生じ、高温クリープ破断強度の低下を招く。そのため、Vの含有率を0.15〜0.30%とした。同様の理由により、Vの含有率を0.17〜0.27%とすることが好ましい。
(7) V (Vanadium)
V is an element effective for forming fine carbides and carbonitrides and improving high temperature creep rupture strength. In order to exhibit this effect, it is necessary to contain V 0.15% or more. On the other hand, when the content of V exceeds 0.30%, excessive precipitation of carbides occurs, leading to a decrease in high-temperature creep rupture strength. Therefore, the V content is determined to be 0.15 to 0.30%. For the same reason, the V content is preferably 0.17 to 0.27%.

(8)Co(コバルト)
Coは、δフェライトの生成を抑制し、固溶強化により高温引張強度や高温クリープ破断強度を向上させる。これは、Coの添加によってAc変態点がほとんど変化しないためである。これらの効果を発揮させるために、Coを1.5%を超えて含有することが必要である。一方、Coは、Wの固溶限を減少させることにより、ラーベス相やμ相の凝集粗大化を促進し、長時間クリープ強度の低下を引き起こす原因となる。そのため、長時間クリープ強度の低下を抑制する観点から、Co含有率を4.0%以下とした。同様の理由により、Coの含有率を1.5を超えて3.0%以下とすることが好ましい。
(8) Co (Cobalt)
Co suppresses the formation of δ ferrite and improves high temperature tensile strength and high temperature creep rupture strength by solid solution strengthening. This is because the Ac 1 transformation point is hardly changed by the addition of Co. In order to exhibit these effects, it is necessary to contain Co exceeding 1.5%. On the other hand, Co reduces the solid solubility limit of W, thereby promoting aggregation and coarsening of the Laves phase and the μ phase and causing a decrease in creep strength for a long time. Therefore, from the viewpoint of suppressing the decrease in creep strength for a long time, the Co content is set to 4.0% or less. For the same reason, the Co content is preferably more than 1.5 and not more than 3.0%.

(9)W(タングステン)
Wは、M23型炭化物の凝集・粗大化を抑制する。また、Wは、合金中に固溶してマトリックスを固溶強化させ、ラス境界等にラーベス相を分散析出させ、高温引張強度や高温クリープ破断強度の向上に有効な元素である。これらの効果を発揮させるために、Wを2.6%以上含有することが必要である。一方、Wの含有率が4.0%を超えると、δフェライトや粗大なラーベス(Laves)相が生成しやすくなり、延性や靭性が低下するとともに、高温クリープ破断強度も低下する。そのため、Wの含有率を2.6%を超えて4%以下とした。同様の理由により、Wの含有率を2.6%を超えて3.5%以下とすることが好ましい。
(9) W (tungsten)
W suppresses aggregation and coarsening of M 23 C 6 type carbide. W is an element effective for improving high-temperature tensile strength and high-temperature creep rupture strength by solid-solution strengthening in the alloy by dissolving in the alloy to disperse and precipitate the Laves phase on the lath boundary. In order to exhibit these effects, it is necessary to contain 2.6% or more of W. On the other hand, if the W content exceeds 4.0%, δ ferrite and a coarse Laves phase are likely to be generated, ductility and toughness are lowered, and high-temperature creep rupture strength is also lowered. Therefore, the W content is set to be over 4% and over 2.6%. For the same reason, it is preferable that the W content is more than 2.6% and not more than 3.5%.

(10)N(窒素)
NはC、Nb、Vなどと結びついて炭窒化物を形成し、高温クリープ破断強度を向上させる。Nの含有率が0.010%未満では、十分な引張強度や高温クリープ破断強度を得ることができない。一方、Nは、Bとの結びつきが強く、Nの含有率が0.025%以上になると、BNの窒化物が生成されることにより、健全な鋼塊の製造が困難になり、熱間加工性が低下し、延性や靭性が低下する。また、BN相の析出により高温クリープ破断強度に有効な固溶Bの含有量が減少するので、高温クリープ破断強度が低下する。そのため、Nの含有率を0.010〜0.025%未満とした。同様の理由により、Nの含有率を0.012〜0.020%とすることが好ましい。
(10) N (nitrogen)
N combines with C, Nb, V, etc. to form carbonitrides and improves high temperature creep rupture strength. If the N content is less than 0.010%, sufficient tensile strength and high temperature creep rupture strength cannot be obtained. On the other hand, N has a strong connection with B, and when the N content is 0.025% or more, BN nitride is generated, which makes it difficult to produce a sound ingot, and hot working Decreases in ductility and toughness. Moreover, since the content of the solid solution B effective for the high temperature creep rupture strength decreases due to the precipitation of the BN phase, the high temperature creep rupture strength decreases. Therefore, the N content is determined to be 0.010 to less than 0.025%. For the same reason, the N content is preferably 0.012 to 0.020%.

(11)Nb(ニオブ)
Nbは、室温での引張強度の向上に有効であるとともに、微細炭化物や炭窒化物を形成し、高温クリープ破断強度を向上させる。また、Nbは、微細なNbCを生成して結晶粒の微細化を促進し、靭性を向上させる。Nbの一部は、V炭窒化物と複合したMX型炭窒化物を析出して、高温クリープ破断強度を向上させる効果もある。これらの効果を発揮させるために、Nbを0.01%以上含有することが好ましい。一方、Nbの含有率が0.15%を超えると、粗大な炭化物や炭窒化物が析出し、延性や靭性を低下させる。そのため、Nbの含有率を0.01〜0.15%とした。同様の理由により、Nbの含有率を0.01〜0.10%とすることが好ましい。
(11) Nb (Niobium)
Nb is effective in improving the tensile strength at room temperature, forms fine carbides and carbonitrides, and improves high temperature creep rupture strength. Moreover, Nb produces | generates fine NbC, promotes refinement | miniaturization of a crystal grain, and improves toughness. Part of Nb also has the effect of precipitating MX type carbonitride compounded with V carbonitride to improve the high temperature creep rupture strength. In order to exhibit these effects, it is preferable to contain Nb 0.01% or more. On the other hand, when the Nb content exceeds 0.15%, coarse carbides and carbonitrides are precipitated, and ductility and toughness are lowered. Therefore, the Nb content is determined to be 0.01 to 0.15%. For the same reason, the Nb content is preferably 0.01 to 0.10%.

(12)B(ホウ素)
Bは、微量の添加で焼入性が増大し、靭性が向上する。また、Bは、オーステナイト結晶粒界およびその下部組織のマルテンサイトパケット、マルテンサイトブロック、マルテンサイトラス内の炭化物、炭窒化物およびラーベス相の凝集や粗大化を高温下で長時間にわたって抑制する効果を有している。さらに、Bは、WやNbなどと複合添加することによって、高温クリープ破断強度を向上させるのに有効な元素である。これらの効果を発揮させるために、Bを0.005%以上含有させることが必要である。一方、Bの含有率が0.015%を超えると、BとNが結合してBN相が析出し、熱間加工性が損なわれたり、高温クリープ破断延性や靭性が大きく低下したりする。また、BN相の析出により、高温クリープ破断強度に有効な固溶Bの含有量が減少するため、高温クリープ破断強度が低下する。そのため、Bの含有率を0.005〜0.015%とした。同様の理由により、Bの含有率を0.007〜0.012%とすることが好ましい。
(12) B (boron)
B increases hardenability and improves toughness when added in a small amount. In addition, B has the effect of suppressing aggregation and coarsening of carbide, carbonitride, and Laves phase in the martensite packet, martensite block, martensite lath and martensite lath of the austenite grain boundary and its substructure for a long time at high temperature. Have. Further, B is an element effective for improving the high temperature creep rupture strength by being added in combination with W, Nb or the like. In order to exhibit these effects, it is necessary to contain B 0.005% or more. On the other hand, if the B content exceeds 0.015%, B and N are combined to precipitate a BN phase, hot workability is impaired, and high temperature creep rupture ductility and toughness are greatly reduced. In addition, precipitation of the BN phase reduces the content of solid solution B effective for high-temperature creep rupture strength, so that the high-temperature creep rupture strength decreases. Therefore, the B content is determined to be 0.005 to 0.015%. For the same reason, the B content is preferably 0.007 to 0.012%.

(13)Re(レニウム)
Reは、合金中に固溶してマトリックスを固溶強化させるとともに、マトリックス中のWの固溶量を向上させるのに有効な元素である。また、Reは、高温でのWの拡散を抑制し、ラーベス(Laves)相の析出や凝集粗大化を遅延させることにより、高温クリープ特性を高いままで長時間維持することに寄与することに寄与する元素である。これらの効果を発揮させるために、Reを0.001%以上含有させることが好ましい。また、Reの含有量を0.300%以下とすることで、これらの効果を顕著に発現することができる。そのため、Reの含有率を0.001〜0.300%とした。同様の理由により、Reの含有率を0.001〜0.25%とすることが好ましい。
(13) Re (Rhenium)
Re is an element effective for improving the solid solution amount of W in the matrix as well as strengthening the solid solution by dissolving in the alloy. In addition, Re contributes to maintaining high-temperature creep characteristics for a long time by suppressing the diffusion of W at high temperatures and delaying the precipitation of Laves phases and aggregation coarsening. Element. In order to exhibit these effects, it is preferable to contain Re 0.001% or more. Further, when the Re content is 0.300% or less, these effects can be remarkably exhibited. Therefore, the Re content is determined to be 0.001 to 0.300%. For the same reason, the Re content is preferably 0.001 to 0.25%.

(14)P(リン)、S(硫黄)
P、Sは、実施の形態の耐熱鋼においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を0%に近づけることが好ましい。
(14) P (phosphorus), S (sulfur)
P and S are classified as inevitable impurities in the heat resistant steel of the embodiment. These inevitable impurities are preferably made to have a residual content as close to 0% as possible.

上記した組成成分範囲の耐熱鋼は、例えば、蒸気タービンの構成部品を構成する材料として好適である。蒸気タービンの構成部品として、例えば、動翼、高温タービンロータ(高圧タービンロータ、中圧タービンロータ、高中圧タービンロータなど)などの鍛造部品が挙げられる。高温タービンロータには、タービンディスクが設けられていてもよい。   The heat-resisting steel having the above-described composition component range is suitable as a material constituting a component of a steam turbine, for example. Examples of the component parts of the steam turbine include forged parts such as moving blades and high-temperature turbine rotors (high-pressure turbine rotor, medium-pressure turbine rotor, high-medium-pressure turbine rotor, etc.). The high temperature turbine rotor may be provided with a turbine disk.

上記した蒸気タービンの構成部品のすべての部位を上記した耐熱鋼で構成してもよいし、構成部品の一部の部位を上記した耐熱鋼で構成してもよい。   All the parts of the component parts of the steam turbine described above may be made of the above heat resistant steel, or some parts of the component parts may be made of the above heat resistant steel.

また、上記した組成成分範囲の耐熱鋼では、長時間クリープ破断寿命の向上を図ることができるため、この耐熱鋼を用いて、例えば、蒸気タービンの高温タービンロータ(高圧タービンロータ、中圧タービンロータ、高中圧タービンロータ)、動翼、タービンディスクなどの蒸気タービンの構成部品を構成することで、高温環境下においても高い信頼性を有する蒸気タービンの構成部品を提供することができる。   In addition, since the heat resistant steel having the above compositional component range can improve the creep rupture life for a long time, the high temperature turbine rotor (high pressure turbine rotor, medium pressure turbine rotor, etc.) of a steam turbine can be used by using this heat resistant steel. By configuring the components of the steam turbine such as the high and medium pressure turbine rotor, the moving blade, and the turbine disk, it is possible to provide the components of the steam turbine having high reliability even in a high temperature environment.

上記した組成成分範囲の耐熱鋼は、特に高温域での長時間クリープ破断寿命に優れることから、600℃以上、例えば、550〜650℃の高温域で使用される動翼を構成する耐熱鋼に適しており、具体的には、例えば、定常時の最高蒸気温度が566〜610℃の高温下で使用される動翼やタービンロータ、タービンディスクなどの構成部品、または定常時の最高蒸気温度が593〜630℃の高温下で使用される動翼やタービンロータ、タービンディスクなどの構成部品を構成する耐熱鋼に適している。   The heat-resisting steel having the above compositional component range is excellent in long-term creep rupture life particularly in a high-temperature region. Specifically, for example, a component such as a rotor blade, a turbine rotor, or a turbine disk that is used under a high temperature of 566 to 610 ° C. at the steady state maximum steam temperature, or a steady state maximum steam temperature. It is suitable for heat-resistant steel constituting components such as a moving blade, a turbine rotor, and a turbine disk used at a high temperature of 593 to 630 ° C.

ここで、実施の形態の耐熱鋼およびこの耐熱鋼を用いて製造される蒸気タービンの構成部品(鍛造品)の製造方法について説明する。   Here, the heat-resistant steel of the embodiment and a method for manufacturing a component (forged product) of a steam turbine manufactured using the heat-resistant steel will be described.

本実施の形態の耐熱鋼は、例えば、次のように製造される。   The heat resistant steel of the present embodiment is manufactured as follows, for example.

上記した耐熱鋼を構成する組成成分を得るために必要な原材料を、アーク式電気炉、真空誘導電気炉などの溶解炉で溶解し、精錬、脱ガスを行う。その後、所定サイズの型に注湯し、時間をかけて凝固させ鋼塊を形成する。凝固が完了した鋼塊は、1100〜1250℃に加熱され鍛造処理(熱間加工)が施され、その後、焼入処理および焼戻処理が施される。このような工程を経て、耐熱鋼が製造される。   The raw materials necessary for obtaining the compositional components constituting the heat-resistant steel are melted in a melting furnace such as an arc electric furnace or a vacuum induction electric furnace, and are refined and degassed. Thereafter, the molten metal is poured into a mold of a predetermined size and solidified over time to form a steel ingot. The ingot that has been solidified is heated to 1100 to 1250 ° C., subjected to forging (hot working), and then subjected to quenching and tempering. Through such processes, heat-resistant steel is manufactured.

蒸気タービンの動翼やタービンロータなどの構成部品は、例えば、次のように製造される。   Components such as a moving blade and a turbine rotor of a steam turbine are manufactured as follows, for example.

まず、蒸気タービンの構成部品を構成する、上記した耐熱鋼を構成する組成成分を得るために必要な原材料を、アーク式電気炉、真空誘導電気炉などの溶解炉で溶解し、精錬、脱ガスを行う。その後、所定サイズの型に注湯し、時間をかけて凝固させ鋼塊を形成する。なお、真空環境中で注湯させる場合には、真空脱ガスが行われることから鋼塊中のガス成分がより低減化され、非金属介在物の低減にもつながる。   First, the raw materials necessary to obtain the composition components constituting the heat-resistant steel, which constitute the components of the steam turbine, are melted in a melting furnace such as an arc electric furnace or a vacuum induction electric furnace, and are refined and degassed. I do. Thereafter, the molten metal is poured into a mold of a predetermined size and solidified over time to form a steel ingot. In addition, when pouring in a vacuum environment, since vacuum degassing is performed, the gas component in the steel ingot is further reduced, leading to a reduction in non-metallic inclusions.

凝固が完了した鋼塊は1100〜1250℃に加熱され、大型プレスによりタービン翼やタービンロータなどの各構成部品の形状にまで鍛造処理(熱間加工)が行われる。鍛造処理後、焼入処理および焼戻処理が施される。このような工程を経て、蒸気タービンのタービン翼やタービンロータなどの構成部品が製造される。   The ingot that has been solidified is heated to 1100 to 1250 ° C. and subjected to forging (hot working) to the shape of each component such as a turbine blade and a turbine rotor by a large press. After the forging process, a quenching process and a tempering process are performed. Through these steps, components such as turbine blades and turbine rotors of a steam turbine are manufactured.

ここで、鍛造処理における加熱温度を1100〜1250℃の温度範囲とすることが好ましいのは、温度が1100℃未満では、材料の熱間加工性が十分に得られず、構成部品の中心部における鍛造効果が十分でない、または鍛造変形中に鍛造割れを発生させる原因となる可能性があり、温度が1250℃を超えると、結晶粒の粗大化や結晶粒の不均一性が顕著になり、鍛造による変形が不均一になることや鍛造後に行われる焼入処理時の結晶粒粗大化や不均一性の原因となるからである。   Here, it is preferable to set the heating temperature in the forging process to a temperature range of 1100 to 1250 ° C. If the temperature is lower than 1100 ° C., the hot workability of the material cannot be sufficiently obtained, and the center part of the component part Forging effect is not sufficient, or may cause forging cracks during forging deformation. When the temperature exceeds 1250 ° C., coarsening of crystal grains and non-uniformity of crystal grains become prominent. This is because the deformation due to the non-uniformity becomes a cause of crystal grain coarsening or non-uniformity during the quenching process performed after forging.

ここで、焼入処理および焼戻処理について説明する。   Here, the quenching process and the tempering process will be described.

(焼入処理)
焼入加熱によって、材料中に生成していた炭化物や炭窒化物のほとんどを、一旦マトリックス中に固溶させ、その後の焼戻処理によって炭化物や炭窒化物を微細均一にマトリックス中に析出させることによって、高温クリープ破断強度を向上させるとともに、クリープ破断延性や靭性を向上させることができる。
(Quenching process)
Most of the carbides and carbonitrides generated in the material by quenching heating are once dissolved in the matrix, and then the carbides and carbonitrides are finely and uniformly precipitated in the matrix by subsequent tempering treatment. As a result, the high temperature creep rupture strength can be improved, and the creep rupture ductility and toughness can be improved.

焼入温度は、1040〜1120℃の温度範囲に設定されることが好ましい。焼入温度が1040℃未満では、鍛造過程までに析出している比較的粗大な炭化物や炭窒化物のマトリックスへの固溶が十分ではなく、その後の焼戻処理後においても粗大な未固溶炭化物や未固溶炭窒化物として残る。そのため、良好な、高温クリープ破断強度、延性および靭性を得ることが困難である。   The quenching temperature is preferably set in a temperature range of 1040 to 1120 ° C. When the quenching temperature is less than 1040 ° C., solid solution of the relatively coarse carbide and carbonitride precipitated by the forging process is not sufficient in the matrix, and the coarse undissolved solution after the subsequent tempering treatment. Remains as carbide or non-solid carbonitride. Therefore, it is difficult to obtain good high temperature creep rupture strength, ductility and toughness.

また、実施形態に係る耐熱鋼においては、マトリックス中にMX型炭窒化物を微細に析出させて高温クリープ破断強度を向上させるために、Nbが添加されている。このNbの効果を十分に発揮させるには、焼入温度に加熱保持する際に、オーステナイトマトリックス中にNbを完全に固溶させることが必要である。しかしながら、焼入温度が1040℃未満では、Nbが、凝固時に生じた粗大炭窒化物として未固溶状態で残存し、クリープ破断強度を向上させる効果を十分に得られず、また延性、靭性の低下や疲労強度の低下を生じさせる可能性がある。このような粗大炭窒化物を一旦固溶させて、焼入れ後の微細な炭窒化物として多量に有効析出させるために、焼入温度を1040℃以上とすることが必要である。   In the heat-resistant steel according to the embodiment, Nb is added in order to improve the high temperature creep rupture strength by finely depositing MX type carbonitride in the matrix. In order to fully exhibit the effect of Nb, it is necessary to completely dissolve Nb in the austenite matrix when heated to the quenching temperature. However, when the quenching temperature is less than 1040 ° C., Nb remains as a coarse carbonitride generated during solidification in an undissolved state, and the effect of improving the creep rupture strength cannot be sufficiently obtained, and ductility and toughness are not obtained. It may cause a decrease in fatigue strength. In order to dissolve such coarse carbonitrides once and effectively precipitate them in large quantities as fine carbonitrides after quenching, it is necessary to set the quenching temperature to 1040 ° C. or higher.

一方、焼入温度が1120℃を超えると、オーステナイト相中にδフェライト相が生成するとともに、結晶粒が粗大化して、延性や靭性が大幅に低下する。   On the other hand, when the quenching temperature exceeds 1120 ° C., a δ ferrite phase is generated in the austenite phase, and the crystal grains are coarsened, and the ductility and toughness are greatly reduced.

焼入処理において、焼入後、鍛造素材は、所定の微細組織とするために、空冷またはそれ以上の冷却速度で冷却されることが好ましい。焼入処理における冷却速度としては、焼入れ後、100℃/時以上の冷却速度で冷却されることがより好ましい。この範囲の冷却速度を得るための冷却方法として、例えば、油冷などを採用することができる。   In the quenching process, after quenching, the forging material is preferably cooled at a cooling rate of air cooling or higher in order to obtain a predetermined microstructure. As a cooling rate in the quenching treatment, it is more preferable that the quenching is performed at a cooling rate of 100 ° C./hour or more after quenching. As a cooling method for obtaining a cooling rate in this range, for example, oil cooling can be employed.

上記した冷却速度は、鍛造素材において最も冷却速度が小さくなる部位の冷却速度とすることができる。また、鍛造素材がタービンロータなどの場合には、冷却速度は、例えば鍛造素材の中心部の冷却速度として定義してもよい。この場合、鍛造素材の中心部とは、例えば、その中心軸上で、かつ軸方向の中央をいう。   The cooling rate described above can be a cooling rate at a portion where the cooling rate is the smallest in the forging material. Further, when the forging material is a turbine rotor or the like, the cooling rate may be defined as, for example, the cooling rate at the center of the forging material. In this case, the central portion of the forging material refers to the center in the axial direction on the central axis, for example.

また、鍛造素材が所定の肉厚を有する構造体からなるものであれば、鍛造素材の中心部とは、その肉厚の中心部としてもよい。   Further, if the forging material is made of a structure having a predetermined thickness, the central portion of the forging material may be the central portion of the thickness.

(焼戻処理)
焼戻処理によって、上記した焼入処理によって生じた残留オーステナイト組織を分解し、焼戻マルテンサイト組織とし、炭化物や炭窒化物をマトリックス中に均一に分散析出させるとともに転位組織を適正レベルに回復させる。これによって、必要とする、高温クリープ破断強度、破断延性および靭性が得られる。
(Tempering treatment)
The tempering process decomposes the residual austenite structure generated by the above-described quenching process to form a tempered martensite structure, and uniformly disperses and precipitates carbides and carbonitrides in the matrix and restores the dislocation structure to an appropriate level. . This provides the necessary high temperature creep rupture strength, rupture ductility and toughness.

この焼戻処理は、2回実施されることが好ましい。1回目の焼戻処理(第1段焼戻処理)は、残留オーステナイト組織を分解させることを目的としており、焼き入れ後の残留オーステナイトを可能な限り完全に除去する観点から、540〜600℃の温度範囲で行われることが好ましい。   This tempering treatment is preferably carried out twice. The first tempering process (first-stage tempering process) is intended to decompose the retained austenite structure. From the viewpoint of removing as much as possible the retained austenite after quenching, the tempering process is performed at 540 to 600 ° C. It is preferably performed in the temperature range.

すなわち、焼入処理が施された金属組織は、多くはマルテンサイト変態し、焼入れマルテンサイト組織となっているが、一部オーステナイト組織が残留している。第1段焼戻処理によって、焼入れマルテンサイト組織は焼戻しマルテンサイト組織となり、また、第1段焼戻処理によって、残留オーステナイト組織は焼入れマルテンサイト組織となり、残留オーステナイト組織は消滅する。   That is, most of the metal structure subjected to the quenching treatment is transformed into a martensite and becomes a quenched martensite structure, but a part of the austenite structure remains. By the first stage tempering process, the quenched martensite structure becomes a tempered martensite structure, and by the first stage tempering process, the retained austenite structure becomes a quenched martensite structure and the retained austenite structure disappears.

第1段焼戻処理の温度が540℃未満では、残留オーステナイト組織の分解が十分に行われず、残留オーステナイト組織から焼入れマルテンサイト組織への変態が不十分となる可能性がある。一方、第1段焼戻処理の温度が600℃を超えると、MX型炭窒化物の析出サイトが減少し、粗大なMX型炭窒化物が析出しやすくなる。また、炭化物や炭窒化物が残留オーステナイト組織中よりもマルテンサイト組織中に優先的に析出しやすくなり、析出物が不均一に分散析出することになり、高温クリープ破断強度が低下する。   If the temperature of the first stage tempering treatment is less than 540 ° C., the residual austenite structure is not sufficiently decomposed, and the transformation from the residual austenite structure to the quenched martensite structure may be insufficient. On the other hand, when the temperature of the first stage tempering treatment exceeds 600 ° C., the precipitation site of MX type carbonitride decreases, and coarse MX type carbonitride tends to precipitate. Further, carbides and carbonitrides are preferentially precipitated in the martensite structure rather than in the retained austenite structure, and the precipitates are dispersed and precipitated unevenly, resulting in a decrease in high temperature creep rupture strength.

2回目の焼戻処理(第2段焼戻処理)は、材料全体を焼戻マルテンサイト組織にすることにより、必要とする、高温クリープ破断強度、破断延性および靭性を得ることを目的とし、650〜730℃の温度範囲で行われることが好ましい。   The second tempering process (second stage tempering process) aims to obtain the necessary high temperature creep rupture strength, rupture ductility and toughness by making the entire material a tempered martensite structure. It is preferable to be performed in a temperature range of ˜730 ° C.

すなわち、第1段焼戻処理により、材料中に一部残留していた残留オーステナイト組織は焼入れマルテンサイト組織に変態するが、このままでは延性、靭性に劣るため、さらに第二段焼戻処理を行って、焼戻しマルテンサイト組織とすることが必要である。   That is, the retained austenite structure partially remaining in the material is transformed into a quenched martensite structure by the first stage tempering process, but the ductility and toughness are inferior in this state, so the second stage tempering process is further performed. Therefore, it is necessary to have a tempered martensite structure.

なお、第1段焼戻処理と第2段焼戻処理は、連続的に行うことができる。   The first stage tempering process and the second stage tempering process can be performed continuously.

第2段焼戻処理の温度が650℃未満では、炭化物や炭窒化物などの析出物が安定状態に析出しないため、高温クリープ破断強度も延性、靭性も所定の特性が得られない。また、第2段焼戻処理の温度が650℃未満では、焼入れマルテンサイト組織の焼戻しマルテンサイト組織への変態が十分に進行しないうえ、炭化物や炭窒化物の析出が十分に平衡状態まで到達せず、600℃を超える高温下でクリープが進行したときに、凝集、粗大化が顕著となる。   If the temperature of the second stage tempering treatment is less than 650 ° C., precipitates such as carbides and carbonitrides do not precipitate in a stable state, so that high-temperature creep rupture strength, ductility, and toughness cannot obtain predetermined characteristics. If the temperature of the second stage tempering treatment is less than 650 ° C., the transformation of the quenching martensite structure to the tempered martensite structure does not proceed sufficiently, and the precipitation of carbides and carbonitrides does not sufficiently reach the equilibrium state. However, when creep progresses at a high temperature exceeding 600 ° C., aggregation and coarsening become remarkable.

一方、第2段焼戻処理の温度が730℃を超えると、炭化物や炭窒化物の粗大析出となり、必要とする高温クリープ破断強度が得られない。また、第2段焼戻処理の温度が730℃を超えると、焼戻処理が過度に進行し、引張強さや耐力などの強度特性が必要な値を満足しなくなる。   On the other hand, when the temperature of the second stage tempering treatment exceeds 730 ° C., coarse precipitation of carbides and carbonitrides occurs, and the required high temperature creep rupture strength cannot be obtained. On the other hand, when the temperature of the second stage tempering process exceeds 730 ° C., the tempering process proceeds excessively, and the strength characteristics such as tensile strength and proof stress do not satisfy required values.

上記した温度範囲のうち、特に650〜690℃で第2段焼戻処理を施した場合は、高応力側の条件下で優れたクリープ強度を示す耐熱鋼を得ることができ、690〜730℃で第2段焼戻処理を施した場合は、低応力側の条件下で優れたクリープ強度を示す耐熱鋼を得ることができる。このように、650〜730℃の温度範囲において、処理温度を適宜選択して第2段焼戻処理を行うことで、使用用途に適した耐熱鋼を得ることが可能である。   Among the above temperature ranges, in particular, when the second-stage tempering treatment is performed at 650 to 690 ° C., a heat resistant steel exhibiting excellent creep strength under high stress conditions can be obtained, 690 to 730 ° C. When the second-stage tempering treatment is performed, a heat-resisting steel exhibiting excellent creep strength under low stress conditions can be obtained. As described above, in the temperature range of 650 to 730 ° C., by appropriately selecting the treatment temperature and performing the second stage tempering treatment, it is possible to obtain a heat resistant steel suitable for the intended use.

第2段焼戻処理において、第2段焼戻後、鍛造素材は、冷却時に形状変化部位などの応力集中部にひずみを発生させないように、20〜60℃/時の冷却速度で冷却されることが好ましい。   In the second-stage tempering process, after the second-stage tempering, the forging material is cooled at a cooling rate of 20 to 60 ° C./hour so as not to generate strain in the stress concentration part such as a shape change portion during cooling. It is preferable.

第2段焼戻処理における冷却速度は、焼入処理で述べたのと同様に定義することができる。   The cooling rate in the second stage tempering process can be defined in the same manner as described in the quenching process.

なお、蒸気タービンの構成部品を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。   Note that the method for producing the components of the steam turbine is not limited to the above-described method.

上記した実施の形態の耐熱鋼によれば、耐熱鋼を構成する化学組成を上記した範囲とすることで、クリープ破断寿命の向上を図ることができるため、この耐熱鋼を用いて、例えば、蒸気タービンの高温タービンロータ(高圧タービンロータ、中圧タービンロータ、高中圧タービンロータなど)、動翼、タービンディスクなどの蒸気タービンの構成部品を構成することで、高温環境下においても高い信頼性を有する蒸気タービンの構成部品を提供することができる。したがって、これら構成部品を適用することで、蒸気タービンにおいて、蒸気温度の高温化が可能となり、発電効率を向上させることができる。   According to the heat-resistant steel of the above-described embodiment, since the creep rupture life can be improved by setting the chemical composition constituting the heat-resistant steel to the above-described range, using this heat-resistant steel, for example, steam It has high reliability even in high-temperature environments by configuring steam turbine components such as turbine high-temperature turbine rotors (high-pressure turbine rotor, medium-pressure turbine rotor, high-medium-pressure turbine rotor, etc.), rotor blades, and turbine disks. Steam turbine components can be provided. Therefore, by applying these components, the steam temperature can be increased in the steam turbine, and the power generation efficiency can be improved.

以下に、本発明に係る一実施の形態の耐熱鋼が、高温クリープ破断寿命に優れていることを説明する。   Below, it demonstrates that the heat-resistant steel of one embodiment which concerns on this invention is excellent in the high temperature creep rupture life.

(試料)
表1は、材料特性評価に用いた各試料(試料1〜試料56)の化学組成成分を示す。なお、試料1〜試料41は、本発明に係る実施の形態の耐熱鋼の実施例であり、試料42〜試料56は、本発明に係る実施の形態の耐熱鋼の化学組成範囲にない耐熱鋼であり、比較例である。
(sample)
Table 1 shows chemical composition components of each sample (sample 1 to sample 56) used for the material property evaluation. Sample 1 to sample 41 are examples of the heat resistant steel of the embodiment according to the present invention, and sample 42 to sample 56 are heat resistant steels that are not in the chemical composition range of the heat resistant steel of the embodiment according to the present invention. It is a comparative example.

Figure 2016065280
Figure 2016065280

これらの試料を次のように形成した。   These samples were formed as follows.

各試料を構成する原材料を、真空誘導溶解炉(VIM)で溶解し、脱ガスを行い、金型内に注湯した。そして、金型内で凝固させて、20kgの鋼塊を作製した。   Raw materials constituting each sample were melted in a vacuum induction melting furnace (VIM), degassed, and poured into a mold. And it solidified in the metal mold | die and produced the 20kg steel ingot.

続いて、凝固した各鋼塊を1200℃に加熱し、鍛造比が3の加工比で鍛造処理を行った。続いて、焼入処理、第1段焼戻処理および第2段焼戻処理を行った。   Subsequently, each solidified ingot was heated to 1200 ° C., and forging was performed at a working ratio of 3 forging ratio. Subsequently, a quenching process, a first stage tempering process, and a second stage tempering process were performed.

ここで、鍛造比とは、鍛造処理を施す前における、鍛造被対象物が伸長される方向に垂直な鍛造被対象物の断面積を、鍛造処理後における、鍛造被対象物が伸長された方向に垂直な鍛造被対象物の断面積で除したものである。   Here, the forging ratio refers to the cross-sectional area of the forged object perpendicular to the direction in which the forged object is elongated before the forging process, and the direction in which the forged object is elongated after the forging process. Is divided by the cross-sectional area of the forging object perpendicular to.

焼入処理では、1070℃の温度で5時間鋼塊を加熱保持し、その後、鋼塊を冷却速度100℃/時(鋼塊の中心部における冷却速度)で冷却した。第1段焼戻処理では、焼入処理後の鋼塊を、570℃の温度で20時間加熱保持した。第2段焼戻処理では、第1段焼戻処理後の鋼塊を、680℃の温度で20時間加熱保持し、その後、鋼塊を冷却速度50℃/時で冷却した。なお、ここでは、第2段焼戻処理後における冷却速度を、鋼塊の中心部における冷却速度とした。   In the quenching treatment, the steel ingot was heated and held at a temperature of 1070 ° C. for 5 hours, and then the steel ingot was cooled at a cooling rate of 100 ° C./hour (cooling rate at the center of the steel ingot). In the first stage tempering treatment, the steel ingot after the quenching treatment was heated and held at a temperature of 570 ° C. for 20 hours. In the second stage tempering treatment, the steel ingot after the first stage tempering treatment was heated and held at a temperature of 680 ° C. for 20 hours, and then the steel ingot was cooled at a cooling rate of 50 ° C./hour. Here, the cooling rate after the second-stage tempering treatment was the cooling rate at the center of the steel ingot.

(引張試験)
上記した試料1〜試料56を用いて、25℃の条件で引張試験を実施した。試験片は、上記した各鋼塊から作製した。
(Tensile test)
Using the samples 1 to 56 described above, a tensile test was performed at 25 ° C. The test piece was produced from each steel ingot described above.

引張試験は、JIS Z 2241(金属材料引張試験方法)に準じて実施した。表2には、各試料における引張試験の結果(引張強度)が示されている。   The tensile test was performed according to JIS Z 2241 (metal material tensile test method). Table 2 shows the results (tensile strength) of the tensile test for each sample.

(シャルピー衝撃試験)
上記した試料1〜試料56を用いて、25℃の条件でシャルピー衝撃試験を実施した。試験片は、上記した各鋼塊から作製した。
(Charpy impact test)
A Charpy impact test was performed at 25 ° C. using Samples 1 to 56 described above. The test piece was produced from each steel ingot described above.

シャルピー衝撃試験は、JIS Z 2242(金属材料のシャルピー衝撃試験方法)に準じて実施した。表2には、各試料におけるシャルピー衝撃試験の結果(シャルピー衝撃吸収エネルギー)が示されている。   The Charpy impact test was carried out according to JIS Z 2242 (Charpy impact test method for metal materials). Table 2 shows the results (Charpy impact absorption energy) of the Charpy impact test for each sample.

(クリープ破断試験)
上記した試料1〜試料56を用いて、625℃、20kgf/mmの条件でクリープ破断試験を実施した。試験片は、上記した各鋼塊から作製した。
(Creep rupture test)
Using the samples 1 to 56 described above, a creep rupture test was performed under the conditions of 625 ° C. and 20 kgf / mm 2 . The test piece was produced from each steel ingot described above.

クリープ破断試験は、JIS Z 2271(金属材料のクリープおよびクリープ破断試験方法)に準じて実施した。表2には、各試料におけるクリープ破断試験の結果(クリープ破断寿命)が示されている。   The creep rupture test was carried out according to JIS Z 2271 (Creep of metal material and creep rupture test method). Table 2 shows the result (creep rupture life) of the creep rupture test for each sample.

Figure 2016065280
Figure 2016065280

表2に示すように、試料1〜41は、引張強度930MPa以上、シャルピー衝撃吸収エネルギー14J以上、クリープ破断寿命10000h以上を全て満たし、バランスに優れた特性を有しているが、試料42〜56はいずれかの特性で大きく劣っている。   As shown in Table 2, Samples 1 to 41 satisfy the tensile strength of 930 MPa or more, Charpy impact absorption energy of 14 J or more, and creep rupture life of 10000 h or more, and have excellent balance properties. Is greatly inferior in either characteristic.

(焼入温度および焼戻温度の影響)
焼入温度および焼戻温度が、クリープ破断寿命に及ぼす影響について調べた。
(Effect of quenching temperature and tempering temperature)
The effects of quenching and tempering temperatures on creep rupture life were investigated.

ここでは、試料10に示す組成の鋼塊を使用し、次に示す条件で焼入処理、焼戻処理を行った。焼入処理における焼入温度として、1020℃、1070℃、1100℃、1150℃の4条件について行い、それぞれの焼入温度に5時間加熱保持した。5時間加熱保持後、100℃/時の冷却速度(鋼塊の中心部における冷却速度)で冷却した。   Here, a steel ingot having the composition shown in Sample 10 was used, and quenching treatment and tempering treatment were performed under the following conditions. As quenching temperatures in the quenching treatment, four conditions of 1020 ° C., 1070 ° C., 1100 ° C., and 1150 ° C. were performed, and the respective quenching temperatures were heated and held for 5 hours. After heating and holding for 5 hours, cooling was performed at a cooling rate of 100 ° C./hour (cooling rate at the center of the steel ingot).

第1第焼戻処理における第1段焼戻温度として、530℃、570℃、610℃の3条件について行い、それぞれの第1段焼戻温度に20時間加熱保持した。   As the first stage tempering temperature in the first tempering treatment, three conditions of 530 ° C., 570 ° C., and 610 ° C. were performed, and each first stage tempering temperature was heated and held for 20 hours.

第2第焼戻処理における第2段焼戻温度として、630℃、680℃、710℃、770℃の4条件について行い、それぞれの第2段焼戻温度に20時間加熱保持した。20時間加熱保持後、50℃/時の冷却速度で冷却した。なお、ここでは、第2第焼戻処理後における冷却速度を、鋼塊の中心部における冷却速度とした。   As the second stage tempering temperature in the second tempering treatment, four conditions of 630 ° C., 680 ° C., 710 ° C., and 770 ° C. were performed, and the respective second stage tempering temperatures were heated and held for 20 hours. After heating and holding for 20 hours, cooling was performed at a cooling rate of 50 ° C./hour. Here, the cooling rate after the second tempering treatment is the cooling rate at the center of the steel ingot.

そして、各鋼塊から試験片を作製し、前述したのと同様の方法で、625℃、20kgf/mm、650℃、15kgf/mmの条件でクリープ破断試験を行い、クリープ破断寿命について評価した。表3は、クリープ破断試験の試験結果を示している。 Then, a test piece is prepared from each steel ingot, a creep rupture test is performed under the conditions of 625 ° C., 20 kgf / mm 2 , 650 ° C., and 15 kgf / mm 2 in the same manner as described above, and the creep rupture life is evaluated. did. Table 3 shows the test results of the creep rupture test.

Figure 2016065280
Figure 2016065280

表3に示すように、焼入温度を1070℃または1100℃、第1段焼戻温度を570℃、かつ第2段焼戻温度を680℃または710℃として熱処理された試料においては、他の条件で熱処理された試料と比較して、クリープ破断寿命が長く、クリープ破断特性に優れていることがわかる。   As shown in Table 3, in the samples heat-treated with a quenching temperature of 1070 ° C. or 1100 ° C., a first stage tempering temperature of 570 ° C., and a second stage tempering temperature of 680 ° C. or 710 ° C., It can be seen that the creep rupture life is long and the creep rupture properties are superior compared to the sample heat-treated under the conditions.

このように、焼入処理および焼戻処理の熱処理条件によって、クリープ破断特性に影響が及ぼされ、適正な熱処理条件を適用することによって、クリープ破断特性について優れた耐熱鋼が得られることがわかる。   Thus, it can be seen that the creep rupture properties are affected by the heat treatment conditions of the quenching treatment and the tempering treatment, and by applying appropriate heat treatment conditions, a heat resistant steel excellent in the creep rupture properties can be obtained.

また、第二段焼戻処理において680℃で熱処理したものは、625℃、20kgf/mmのクリープ条件におけるクリープ破断寿命が特に優れた特性を示しており、第二段焼戻処理において710℃で熱処理したものは、650℃、15kgf/mmのクリープ条件におけるクリープ破断寿命が特に優れた特性を示していることがわかる。したがって、熱処理条件を適切に選択することにより、それぞれの使用用途に適合した、より優れた特性を有する耐熱鋼を得られることがわかる。 In addition, the heat-treated at 680 ° C. in the second stage tempering treatment has particularly excellent creep rupture life under the creep conditions of 625 ° C. and 20 kgf / mm 2. It can be seen that those subjected to heat treatment at 650 ° C. show particularly excellent characteristics in terms of creep rupture life under creep conditions of 650 ° C. and 15 kgf / mm 2 . Therefore, it can be seen that by appropriately selecting the heat treatment conditions, it is possible to obtain a heat-resistant steel having more excellent characteristics suitable for each application.

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、長時間クリープ破断寿命の向上を図ることができる。   According to at least one embodiment described above, it is possible to improve the long-term creep rupture life.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

Claims (4)

質量%で、C:0.05〜0.13%、Si:0.01〜0.10%未満、Mn:0.15%を超えて0.50%以下、Ni:0.01%〜0.40%未満、Cr:9〜11.5%、Mo:0.01〜0.50%、V:0.15〜0.30%、Co:1.5を超えて4.0%、W:2.6%を超えて4.0%以下、N:0.010〜0.025%未満、Nb:0.01%〜0.15%、B:0.005〜0.015%、Re:0.001〜0.300%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる耐熱鋼。   In mass%, C: 0.05 to 0.13%, Si: 0.01 to less than 0.10%, Mn: more than 0.15% and 0.50% or less, Ni: 0.01% to 0 Less than 40%, Cr: 9 to 11.5%, Mo: 0.01 to 0.50%, V: 0.15 to 0.30%, Co: more than 1.5, 4.0%, W : More than 2.6% and 4.0% or less, N: 0.010 to less than 0.025%, Nb: 0.01% to 0.15%, B: 0.005 to 0.015%, Re : Heat-resistant steel containing 0.001 to 0.300%, the balance being Fe and inevitable impurities. 焼入温度を1040〜1120℃とし、第一段焼戻処理の処理温度を540〜600℃とし、第二段焼戻処理の処理温度を650〜730℃としたことを特徴とする請求項1に記載の耐熱鋼。   The quenching temperature is 1040 to 1120 ° C, the first stage tempering treatment temperature is 540 to 600 ° C, and the second stage tempering treatment temperature is 650 to 730 ° C. Heat-resistant steel described in 1. 前記焼入後の冷却速度を100℃/時以上としたことを特徴とする請求項1または2に記載の耐熱鋼。   The heat-resistant steel according to claim 1 or 2, wherein a cooling rate after the quenching is set to 100 ° C / hour or more. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐熱鋼を用いて、少なくとも所定部位が作製されたことを特徴とする蒸気タービン構成部品。
A steam turbine component having at least a predetermined portion made of the heat-resistant steel according to any one of claims 1 to 3.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109763066A (en) * 2019-01-18 2019-05-17 东方电气集团东方汽轮机有限公司 A kind of ultra-high parameter steam turbine key hot-end component New Heat-Resistant Steel

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