JP2019010668A - Method for manufacturing steam turbine material - Google Patents

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範英 福澤
Norihide Fukuzawa
範英 福澤
友典 上野
Tomonori Ueno
友典 上野
石田 俊樹
Toshiki Ishida
俊樹 石田
忠信 井上
Tadanobu Inoue
忠信 井上
木村 勇次
Yuji Kimura
勇次 木村
歴 高久
Reki Takaku
歴 高久
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Abstract

To provide a method for manufacturing a steam turbine material in which the strength and toughness of the steam turbine material can be increased furthermore.SOLUTION: A method for manufacturing a steam turbine material of the present invention comprises: a pre-forging heating step of heating a forging material to 820-1000°C, the forging material having a composition containing in mass%, of 0.4% or less of C, 0.2-0.6% of Mn, 0.5% or less of Si, 3.0-4.0% of N, 1.0-2.0% of Cr, 0.2-0.6% of Mo, 0.05-0.15% of V, with the balance being Fe and inevitable impurities; and a hot forging step of performing the hot forging of the forging material heated in the pre-forging heating step at a temperature lower than that in the pre-forging heating step and of 700°C or more, and making the forged material. Then, the cooling of the forged material in the hot forging step is performed, also serving as hardening.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、蒸気タービン用素材の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a steam turbine material.

従来、大型の低圧タービン用ロータには、3.5NiCrMoV鋼の鍛造品が広く使用されている(非特許文献1参照)。一方、蒸気タービンの低圧動翼においては発電効率向上のため、大型化が進められている。動翼が大型化すると稼働時に生じる遠心力も増大するため、それを支持するロータの強度も求められる。この低圧タービン用ロータ強度・靱性向上の検討としては、化学組成や焼戻し条件の検討がなされている(非特許文献2参照)。   Conventionally, forged products of 3.5NiCrMoV steel have been widely used for large rotors for low-pressure turbines (see Non-Patent Document 1). On the other hand, the size of low-pressure rotor blades for steam turbines is being increased in order to improve power generation efficiency. Since the centrifugal force generated during operation increases as the rotor blades increase in size, the strength of the rotor that supports them is also required. As a study for improving the strength and toughness of the rotor for low-pressure turbines, a chemical composition and tempering conditions have been studied (see Non-Patent Document 2).

浅井知 他「大容量・高温化対応蒸気タービンの溶接ロータ」東芝レビューVol.65 No.8(2010) 第12〜14頁Tomo Asai et al. “Welding rotor of steam turbine for high capacity and high temperature” Toshiba review Vol. 65 No. 8 (2010) Pages 12-14 吉岡洋明 他「Ni−Cr−Mo−V鋼の強度・衝撃特性に及ぼす化学組成と焼戻し熱処理の影響」鉄と鋼Vol.89(2003) 第83〜88頁Hiroaki Yoshioka et al. "Effects of chemical composition and tempering heat treatment on strength and impact properties of Ni-Cr-Mo-V steel" Iron and Steel Vol. 89 (2003) pp. 83-88

上述のように、蒸気タービン用素材には、いっそう高い強度と靱性が求められているが、従来の検討では十分ではなかった。蒸気タービン用素材として3.5NiCrMoV鋼は優れた強度・靱性を有しているものの、強度・靱性の更なる向上が求められている。   As described above, the steam turbine material is required to have higher strength and toughness, but the conventional examination has not been sufficient. Although 3.5NiCrMoV steel as a steam turbine material has excellent strength and toughness, further improvement in strength and toughness is required.

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、蒸気タービン用素材の強度・靱性をいっそう高めることができる蒸気タービン用素材の製造方法を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the manufacturing method of the raw material for steam turbines which can raise the intensity | strength and toughness of the raw material for steam turbines further in view of the said problem.

本発明は、その一態様として、蒸気タービン用素材の製造方法であって、質量%で、C:0.4%以下、Mn:0.2〜0.6%、Si:0.5%以下、Ni:3.0〜4.0%、Cr:1.0〜2.0%、Mo:0.2〜0.6%、V:0.05〜0.15%、残部はFe及び不可避的不純物からなる組成を有する鍛造用素材を、820〜1000℃に加熱する鍛造前加熱工程と、前記鍛造前加熱工程より低温で且つ、700℃以上の温度で、前記鍛造前加熱工程で加熱した鍛造用素材を熱間鍛造して鍛造材とする熱間鍛造工程とを含み、前記熱間鍛造工程における鍛造材の冷却を、焼入れを兼ねて行う構成とするものである。   The present invention, as one aspect thereof, is a method for producing a material for a steam turbine, and is in mass%, C: 0.4% or less, Mn: 0.2 to 0.6%, Si: 0.5% or less Ni: 3.0-4.0%, Cr: 1.0-2.0%, Mo: 0.2-0.6%, V: 0.05-0.15%, the balance being Fe and inevitable A forging material having a composition composed of mechanical impurities was heated in the pre-forging heating step at a temperature lower than that of the pre-forging heating step and 700 ° C. or higher, which is heated to 820 to 1000 ° C. And a hot forging step in which the forging material is hot forged to obtain a forged material, and cooling of the forged material in the hot forging step is also performed by quenching.

前記熱間鍛造工程において、前記鍛造用素材の圧縮率を50%以上としてもよい。   In the hot forging step, the compression rate of the forging material may be 50% or more.

前記熱間鍛造工程で得た鍛造材に550〜650℃の温度で焼戻しを行う焼戻し工程を更に含んでもよい。   You may further include the tempering process which tempers the forging material obtained at the said hot forging process at the temperature of 550-650 degreeC.

前記鍛造前加熱工程で加熱対象とする鍛造用素材は、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号がASTM No.4以上であってもよい。   The forging material to be heated in the pre-forging heating process has an old austenite crystal grain number of ASTM No. It may be 4 or more.

前記熱間鍛造工程で得た鍛造材はディスク形状を有し、前記ディスク形状の鍛造材の平均結晶粒径が10μm以下であってもよい。   The forged material obtained in the hot forging step may have a disk shape, and the average crystal grain size of the disk-shaped forged material may be 10 μm or less.

前記ディスク形状の鍛造材の直径が1m以上、質量が4000kg以上であってもよい。   The disk-shaped forged material may have a diameter of 1 m or more and a mass of 4000 kg or more.

本発明によれば、前記所定の組成を有する鍛造用素材を、所定の温度範囲内に加熱する鍛造前加熱工程を行った後、この鍛造前加熱工程より低温の所定の温度範囲内で鍛造用素材を熱間鍛造するとともに、熱間鍛造工程における鍛造材の冷却を、焼入れを兼ねて行うことによって、前記鍛造用素材にひずみを導入し、旧オーステナイト結晶粒を微細化することができるため、強度と靱性をいっそう高めた蒸気タービン用素材を製造することができる。   According to the present invention, after performing a pre-forging heating step of heating the forging material having the predetermined composition within a predetermined temperature range, forging within a predetermined temperature range lower than the pre-forging heating step. While hot forging the material and cooling the forging material in the hot forging step, also by quenching, strain can be introduced into the forging material, and the old austenite crystal grains can be refined. It is possible to produce a steam turbine material with higher strength and toughness.

実施例および比較例の初期材(鍛造用素材)の金属組織写真である。It is a metal structure photograph of the initial material (forging material) of an example and a comparative example. 実施例による鍛造材の金属組織写真である。It is a metallographic photograph of the forging material by an Example. 比較例による熱処理材の金属組織写真である。It is a metal structure photograph of the heat processing material by a comparative example.

以下、本発明に係る蒸気タービン用素材の製造方法の一実施の形態について説明する。本実施の形態の製造方法は、所定の合金組成を有する鍛造用素材を、820〜1000℃に加熱する鍛造前加熱工程と、この鍛造前加熱工程の加熱温度より低温で且つ、700℃以上の温度で前記加熱した鍛造用素材を熱間鍛造する熱間鍛造工程とを主に含むものである。鍛造用素材および各工程について詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of a method for producing a steam turbine material according to the present invention will be described. In the manufacturing method of the present embodiment, a forging material having a predetermined alloy composition is heated to a temperature of 820 to 1000 ° C., and a heating temperature before the forging and a heating temperature of 700 ° C. or higher. And a hot forging step of hot forging the forging material heated at a temperature. The forging material and each process will be described in detail.

1.鍛造用素材
先ず、本発明で規定する合金組成は、一般的にタービン用ロータ材として使用されている鋼種であり、ASTM−A470−GradeCに準ずるものである。本発明で規定する組成の限定理由は以下のとおりである。なお、組成の単位は質量%である。
1. First, the alloy composition specified in the present invention is a steel type generally used as a rotor material for turbines, and conforms to ASTM-A470-Grade C. The reasons for limiting the composition defined in the present invention are as follows. The unit of composition is mass%.

<C:0.4%以下>
Cは焼戻し時に炭化物を形成することで、炭化物のさらなる析出に寄与するため、0.4%を上限として含有する。Cの好ましい上限は0.3%であり、更に好ましくは0.28%である。好ましい下限は0.05%であり、更に好ましくは0.10%である。Cが0.4%を上限として含有されることで、靱性を低下させる原因となる過剰な炭化物の析出を防ぐことができる。Cが0.05%を下限として含有されることで、適度な炭化物の析出により靱性を向上させることができる。
<C: 0.4% or less>
C contributes to further precipitation of carbides by forming carbides during tempering, and therefore contains 0.4% as an upper limit. The upper limit with preferable C is 0.3%, More preferably, it is 0.28%. A preferable lower limit is 0.05%, and more preferably 0.10%. By containing C at an upper limit of 0.4%, it is possible to prevent the precipitation of excessive carbides that cause the toughness to decrease. When C is contained with 0.05% as the lower limit, toughness can be improved by precipitation of appropriate carbides.

<Mn:0.2〜0.6%>
Mnは精錬時に脱酸剤として添加し、0.2〜0.6%の範囲で含有する。Mnの好ましい上限は0.5%であり、更に好ましくは0.4%である。好ましい下限は0.23%であり、更に好ましくは0.25%である。Mnが0.2%以上は残存することによって、十分な脱酸効果を得ることができる。一方で、Mnが0.6%以下であることによって鍛造性の低下を防ぐことができる。
<Mn: 0.2 to 0.6%>
Mn is added as a deoxidizer during refining and is contained in the range of 0.2 to 0.6%. The upper limit with preferable Mn is 0.5%, More preferably, it is 0.4%. A preferable lower limit is 0.23%, and more preferably 0.25%. When Mn is 0.2% or more, a sufficient deoxidation effect can be obtained. On the other hand, when Mn is 0.6% or less, a decrease in forgeability can be prevented.

<Si:0.5%以下>
SiはMnと同様に精錬時の脱酸剤として添加し、0.5%を上限として含有する。Siの好ましい上限は0.45%であり、更に好ましくは0.4%である。好ましい下限は0.05%であり、更に好ましくは0.10%である。Siが0.5%を上限として含有されることにより、靱性を向上させることができる。Siが0.05%を下限として含有されることにより、十分に脱酸することができる。
<Si: 0.5% or less>
Si is added as a deoxidizer at the time of refining similarly to Mn, and contains 0.5% as an upper limit. The upper limit with preferable Si is 0.45%, More preferably, it is 0.4%. A preferable lower limit is 0.05%, and more preferably 0.10%. When Si is contained with an upper limit of 0.5%, toughness can be improved. By containing 0.05% as a lower limit, Si can be sufficiently deoxidized.

<Ni:3.0〜4.0%>
Niは低温での脆化を抑制する効果があり、3.0〜4.0%の範囲で含有する。Niの好ましい上限は3.80%であり、更に好ましくは3.60%である。好ましい下限は3.20%であり、更に好ましくは3.40%である。Niが3.0%以上であることにより、低温下で高応力が負荷されたときにも、割れが生じることを抑制することができる。一方で、4.0%以下であることにより、残留オーステナイト量を減少し、強度を向上させることができる。
<Ni: 3.0-4.0%>
Ni has an effect of suppressing embrittlement at a low temperature, and is contained in a range of 3.0 to 4.0%. The upper limit with preferable Ni is 3.80%, More preferably, it is 3.60%. A preferable lower limit is 3.20%, and more preferably 3.40%. When Ni is 3.0% or more, cracking can be suppressed even when a high stress is applied at a low temperature. On the other hand, by being 4.0% or less, the amount of retained austenite can be reduced and the strength can be improved.

<Cr:1.0〜2.0%>
Crは耐食性や焼入れ性の改善の効果があり、1.0〜2.0%の範囲で含有する。Crの好ましい上限は1.90%であり、更に好ましくは1.80%である。好ましい下限は1.20%であり、更に好ましくは1.40%である。Crが1.0%以上であることにより使用中の応力腐食割れ発生を抑えることができる。一方で、2.0%以下であることによって強度や靱性を向上させることができる。
<Cr: 1.0 to 2.0%>
Cr has an effect of improving corrosion resistance and hardenability, and is contained in a range of 1.0 to 2.0%. The upper limit with preferable Cr is 1.90%, More preferably, it is 1.80%. A preferable lower limit is 1.20%, and more preferably 1.40%. When Cr is 1.0% or more, occurrence of stress corrosion cracking during use can be suppressed. On the other hand, strength and toughness can be improved by being 2.0% or less.

<Mo:0.2〜0.6%>
Moは焼入れ性の向上の効果があり、0.2〜0.6%の範囲で含有する。Moの好ましい上限は0.5%であり、更に好ましくは0.45%である。好ましい下限は0.25%であり、更に好ましくは0.3%である。Moが0.2%以上であることにより冷却時に十分に焼入れをすることができ、所望の強度が得られる。一方で、0.6%以下であることにより十分な熱間加工性を得ることができる。
<Mo: 0.2 to 0.6%>
Mo has an effect of improving hardenability and is contained in a range of 0.2 to 0.6%. The upper limit with preferable Mo is 0.5%, More preferably, it is 0.45%. A preferable lower limit is 0.25%, and more preferably 0.3%. When Mo is 0.2% or more, it can be sufficiently quenched during cooling, and a desired strength can be obtained. On the other hand, sufficient hot workability can be obtained by being 0.6% or less.

<V:0.05〜0.15%>
Vは焼入れ性を向上させる効果があり、0.05〜0.15%の範囲で含有する。Vの好ましい上限は0.13%であり、更に好ましくは0.11%である。好ましい下限は0.06%であり、更に好ましくは0.08%である。Vが0.05%以上であることにより十分に焼入れ性を強化することができる。一方で、0.15%以下であることにより、強度、靱性を向上させることができる。
<V: 0.05 to 0.15%>
V has an effect of improving hardenability and is contained in the range of 0.05 to 0.15%. The upper limit with preferable V is 0.13%, More preferably, it is 0.11%. A preferable lower limit is 0.06%, and more preferably 0.08%. When V is 0.05% or more, the hardenability can be sufficiently enhanced. On the other hand, strength and toughness can be improved by being 0.15% or less.

<残部はFeと不可避的不純物>
残部はFeと不可避的不純物である。代表的な不可避的不純物としてはP,S,Al等が挙げられる。Pは0.02%以下、S:0.015%以下、Al:0.015%以下の範囲で許容することができる。
<The balance is Fe and inevitable impurities>
The balance is Fe and inevitable impurities. Typical inevitable impurities include P, S, Al and the like. P can be allowed within a range of 0.02% or less, S: 0.015% or less, and Al: 0.015% or less.

2.鍛造前加熱工程
次に熱間鍛造条件について説明する。なお、前述した組成を有する合金を「3.5NiCrMoV鋼」として記すことにする。前述した組成を有する合金の鍛造用素材に鍛造を実施する。通常、3.5NiCrMoV鋼は鍛造を行った鍛造材を用いて、焼入れ、焼戻しの熱処理が行われる。従来、旧オーステナイト結晶粒は焼入れの温度や時間によって決定されていた。これに対して、本発明の鍛造工程はオーステナイト組織に高いひずみを与えて再結晶させることで、冷却後に残存する旧オーステナイト結晶粒を微細化することを目的としている。
2. Pre-forging heating process Next, hot forging conditions will be described. The alloy having the above-described composition is referred to as “3.5NiCrMoV steel”. Forging is performed on the alloy forging material having the above-described composition. Usually, 3.5NiCrMoV steel is subjected to heat treatment of quenching and tempering using a forged material that has been forged. Conventionally, prior austenite crystal grains have been determined by the temperature and time of quenching. On the other hand, the forging process of the present invention aims to refine the prior austenite crystal grains remaining after cooling by applying high strain to the austenite structure and recrystallizing it.

本発明で用いる3.5NiCrMoV鋼の鍛造用素材(以下、「鍛造用素材」と記す)は、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号がASTM−No.4以上であるものを用意することが好ましい。結晶粒径が過度に粗いと鍛造時に十分な結晶粒微細化の効果が得られない場合があるため、これを抑制する必要があるからである。   The forging material of 3.5NiCrMoV steel used in the present invention (hereinafter referred to as “forging material”) has a crystal grain number number of prior austenite crystal grains of ASTM-No. It is preferable to prepare what is 4 or more. This is because if the crystal grain size is excessively coarse, the effect of sufficient grain refinement may not be obtained at the time of forging, and this needs to be suppressed.

そして、準備した鍛造用素材を用いて、鍛造前加熱処理を行う。本発明で、前記鍛造用素材の鍛造前に行う加熱温度を820℃〜1000℃としたのは、鍛造用素材をオーステナイト単相にするためである。加熱温度の好ましい上限は950℃であり、更に好ましくは900℃である。加熱温度の好ましい下限は840℃であり、更に好ましくは860℃である。室温から820℃未満の範囲に加熱すると初期のマルテンサイト単相もしくはマルテンサイトとオーステナイトの2相となり、前記初期のマルテンサイト相は、鍛造後に焼入れによる硬化が生じず、加熱中に軟化するため、鍛造後に強度を得ることができないが、820℃以上にすることによって、鍛造用素材をオーステナイト単相にすることで鍛造後の強度を向上させることができる。1000℃以下にすることによって、オーステナイトの結晶粒粗大化を抑制し、鍛造後の微細化効果を得ることができる。   And the heat processing before forging is performed using the prepared forging material. In the present invention, the heating temperature of the forging material before forging is set to 820 ° C. to 1000 ° C. in order to make the forging material into an austenite single phase. The upper limit with preferable heating temperature is 950 degreeC, More preferably, it is 900 degreeC. The minimum with a preferable heating temperature is 840 degreeC, More preferably, it is 860 degreeC. When heated in the range from room temperature to less than 820 ° C., it becomes an initial martensite single phase or two phases of martensite and austenite, the initial martensite phase does not undergo hardening by quenching after forging, and softens during heating. Although strength cannot be obtained after forging, the strength after forging can be improved by setting the forging material to an austenite single phase by setting the temperature to 820 ° C. or higher. By setting the temperature to 1000 ° C. or lower, it is possible to suppress austenite crystal grain coarsening and obtain a fine effect after forging.

3.熱間鍛造工程
前記の温度範囲内で加熱した鍛造用素材を用いて熱間鍛造を行う。熱間鍛造の条件として、前記鍛造前加熱工程の加熱温度より低温で且つ、700℃以上の温度で鍛造用素材を熱間鍛造するのは、鍛造後の再結晶によって生じるオーステナイト粒を微細化させるためであり、低温で鍛造するほど、再結晶粒はより微細化される。好ましい熱間鍛造温度は、例えば、前記鍛造前加熱温度よりも50〜200℃程度低温とすることが好ましく、より具体的には熱間鍛造温度の上限は950℃であり、更に好ましくは900℃である。加熱温度の好ましい下限は750℃であり、更に好ましくは800℃である。熱間鍛造時の温度が前記鍛造前加熱工程の加熱温度より低温にすることによって、熱間鍛造による旧オーステナイト結晶粒の微細化の効果を十分に得ることができる。一方、700℃以上の温度にすることによって、再結晶に必要なひずみが非常に高くなって再結晶がなされないことを防ぎ、再結晶化及びより微細な再結晶粒の生成を可能とする。
3. Hot forging process Hot forging is performed using a forging material heated within the above temperature range. As a condition for hot forging, hot forging a forging material at a temperature lower than the heating temperature in the pre-forging heating step and at a temperature of 700 ° C. or higher is to refine austenite grains generated by recrystallization after forging. This is because the recrystallized grains become finer as the forging is performed at a lower temperature. The preferred hot forging temperature is preferably, for example, about 50 to 200 ° C. lower than the heating temperature before forging, more specifically, the upper limit of the hot forging temperature is 950 ° C., more preferably 900 ° C. It is. The minimum with preferable heating temperature is 750 degreeC, More preferably, it is 800 degreeC. By making the temperature during hot forging lower than the heating temperature in the pre-forging heating step, the effect of refining the prior austenite crystal grains by hot forging can be sufficiently obtained. On the other hand, by setting the temperature to 700 ° C. or higher, it is possible to prevent recrystallization from occurring due to extremely high strain required for recrystallization, and to enable recrystallization and generation of finer recrystallized grains.

前記熱間鍛造工程における前記鍛造用素材の圧縮率が50%以上であることが好ましい。好ましい圧縮率は60%以上である。圧縮率の上限は、鍛造材の形状や寸法、或いは用いる鍛造装置の能力によって変化するが、おおよそ70%が上限である。圧縮率が50%以上であることにより、鍛造により素材に導入されるひずみが増加し、再結晶粒の形成に必要なひずみを付与することができる。なお、圧縮率は鍛造の圧下方向における、鍛造後の最長部の長さ/鍛造前の最長部の長さとして求める。   It is preferable that the compression rate of the forging material in the hot forging step is 50% or more. A preferable compression ratio is 60% or more. The upper limit of the compression ratio varies depending on the shape and size of the forged material or the capacity of the forging device to be used, but the upper limit is approximately 70%. When the compression ratio is 50% or more, the strain introduced into the material by forging increases, and strain necessary for forming recrystallized grains can be imparted. The compression rate is determined as the length of the longest part after forging / the length of the longest part before forging in the forging reduction direction.

<ディスク形状の熱間鍛造>
次に、鍛造材形状がディスク形状である場合の熱間鍛造方法について説明する。本発明で言う「鍛造材」とは熱間鍛造後の形状である。ディスク形状の鍛造材とするには、例えば、円柱状の鍛造用素材を用意すると良い。勿論、鍛造用素材の旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号がASTM−No.4以上のものが好ましい。
この鍛造用素材を前記鍛造前加熱する場合の加熱温度とその時間は、例えば直径が1m以上、重量が4000kg以上の鍛造材を得ようとすると820〜1000℃で5〜50時間であれば十分である。
そして、例えば、4000〜50000トンの鍛造荷重を付与できる熱間プレス鍛造装置(熱間鍛造装置)を用いて、前記鍛造用素材を下型の上面に載置して、上型で押圧し、上型と下型とによって型鍛造(熱間鍛造)を行うと良い。この型鍛造であっても、圧縮率は50%以上であることが好ましい。
上述した圧縮率を高めたり、総歪量を高めたりするには、例えば、鍛造用素材の高さを高くしたものを用いたり、或いは、上型と下型に形成される型彫り面の形状を、所望の場所を選択的に圧縮率や総歪量を高くできる形状とした金型を用いることが好ましい。
前述した鍛造荷重、圧縮率を適用することで平均結晶粒を10μm以下とすることができる。平均結晶粒を10μm以下とすることで結晶粒微細化により強度と靱性を両立することができる。
<Disc-shaped hot forging>
Next, the hot forging method when the forged material shape is a disk shape will be described. The “forged material” referred to in the present invention is a shape after hot forging. In order to obtain a disk-shaped forging material, for example, a cylindrical forging material may be prepared. Of course, the crystal grain size number of the former austenite crystal grains of the forging material is ASTM-No. 4 or more are preferable.
When the forging material is heated before the forging, the heating temperature and the time are, for example, 820 to 1000 ° C. and 5 to 50 hours for obtaining a forging material having a diameter of 1 m or more and a weight of 4000 kg or more. It is.
And, for example, using a hot press forging device (hot forging device) capable of applying a forging load of 4000 to 50000 tons, the forging material is placed on the upper surface of the lower die, and pressed with the upper die, It is preferable to perform die forging (hot forging) using an upper die and a lower die. Even in this die forging, the compression rate is preferably 50% or more.
In order to increase the above-mentioned compression rate or increase the total strain amount, for example, a forging material with a high height is used, or the shape of the engraved surface formed in the upper die and the lower die It is preferable to use a mold having a shape that can selectively increase the compression rate and the total strain amount at a desired location.
By applying the forging load and compressibility described above, the average crystal grain can be made 10 μm or less. By making the average crystal grains 10 μm or less, both strength and toughness can be achieved by refining the crystal grains.

<冷却方法>
熱間鍛造工程における鍛造材の冷却は、焼入れを兼ねた冷却とする。焼入れを兼ねた冷却とするには、マルテンサイト変態を起こす冷却速度が必要になる。鍛造材の大きさによっても左右されるが、空冷と同等またはそれ以上の冷却速度は必要である。具体的な冷却の方法としては、例えば、水冷、油冷、衝風冷却、ミスト冷却など、種々の公知の冷却方法の適用が可能である。このうち、結晶粒微細化効果が大きいのは冷却速度が速い水冷や油冷等の液体に浸漬する方法であるが、例えば、重量が4000kg以上の大型の鍛造材を水冷等の速い速度で冷却を行うと割れや変形を生じるおそれがある。そのため、大型の鍛造材には衝風冷却等の空冷を適用するのが好ましい。このように、焼入れを兼ねる冷却とするのは、鍛造によって形成された微細なオーステナイト結晶粒を維持するという効果を、熱間鍛造工程において得る目的である。
<Cooling method>
Cooling of the forging material in the hot forging step is cooling that also serves as quenching. In order to achieve cooling that also serves as quenching, a cooling rate that causes martensitic transformation is required. Although it depends on the size of the forged material, a cooling rate equal to or higher than that of air cooling is necessary. As specific cooling methods, various known cooling methods such as water cooling, oil cooling, blast cooling, and mist cooling can be applied. Among them, the effect of refining the crystal grains is a method of immersing in a liquid such as water cooling or oil cooling with a fast cooling rate. For example, a large forged material weighing 4000 kg or more is cooled at a high rate such as water cooling. Doing so may cause cracking or deformation. Therefore, it is preferable to apply air cooling such as blast cooling to large forged materials. Thus, the cooling that also serves as quenching is the purpose of obtaining the effect of maintaining the fine austenite crystal grains formed by forging in the hot forging process.

4.焼戻し工程
熱間鍛造工程後、任意に、前記鍛造材に550〜650℃の焼戻しを行うことができる。このような焼戻しを行うことで靱性を高めることができる。焼戻しの温度が550℃以上であることより粒界を覆う炭化物が形成されにくくすることができるため、靱性が高くなる。一方、焼戻し温度を650℃以下にすることにより焼戻しの効果が過剰になることを防ぎ、十分な強度を得ることができる。そのため、焼戻しの温度範囲を550〜650℃とする。
4). Tempering Step After the hot forging step, the forged material can optionally be tempered at 550 to 650 ° C. By performing such tempering, toughness can be increased. Since the tempering temperature is 550 ° C. or higher, carbides covering the grain boundaries can be hardly formed, so that toughness is increased. On the other hand, by setting the tempering temperature to 650 ° C. or less, it is possible to prevent the effect of tempering from becoming excessive and to obtain sufficient strength. Therefore, the temperature range of tempering shall be 550-650 degreeC.

以上、説明する本実施の形態のタービン用素材の製造方法を実施することで、鍛造用素材に、ひずみを導入しつつ、旧オーステナイト結晶粒を微細化することができ、よって、従来のタービン用素材よりも強度、靱性の向上が期待できる。   As described above, by implementing the method for manufacturing a turbine material according to the present embodiment to be described, it is possible to refine the prior austenite crystal grains while introducing strain into the forging material. It can be expected to improve strength and toughness compared to the material.

質量%でC:0.24%、Si:0.06%、Mn:0.30%、Cr:1.61%、Ni:3.37%、Mo:0.3%、V:0.11%を含有し、残部がFeと不可避的不純物でなるASTM−A470−GradeCに準ずる3.5NiCrMoV鋼の鍛造用素材を準備した。鍛造用素材の旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号はASTM−No.4.6であった。鍛造用素材は組織の均一化を図るため、焼入れ焼戻し材を用いた。その寸法はφ60mm×150mmである。図1に、準備した鍛造用素材の組織写真を示す。   C: 0.24%, Si: 0.06%, Mn: 0.30%, Cr: 1.61%, Ni: 3.37%, Mo: 0.3%, V: 0.11 in mass% The forging material of 3.5NiCrMoV steel in accordance with ASTM-A470-Grade C, which contains% and the balance of Fe and inevitable impurities, was prepared. The grain size number of the former austenite crystal grains of the forging material is ASTM-No. 4.6. For the forging material, a quenching and tempering material was used in order to make the structure uniform. Its dimensions are φ60 mm × 150 mm. FIG. 1 shows a structural photograph of the prepared forging material.

前記鍛造用素材を用いて、900℃での加熱・保持を行った後、800℃で圧縮率が70%となる熱間鍛造を実施した。熱間鍛造では、前記鍛造用素材を平坦な作業面を有する下型の上面に載置して、平坦な作業面を有する上型とで挟み込むように熱間プレスによって押圧した。熱間鍛造後、室温まで空冷による冷却を行った。その後、600℃で120分の焼戻しを実施し、空冷による冷却を行った。比較例として、前記鍛造用素材を加熱して900℃で保持した後、800℃まで温度を下げてから、熱間鍛造を行わずそのまま空冷し、600℃で120分の焼戻しを実施した熱処理材を作製した。   Using the forging material, after heating and holding at 900 ° C., hot forging at a compression rate of 70% at 800 ° C. was performed. In hot forging, the forging material was placed on the upper surface of a lower mold having a flat work surface and pressed by a hot press so as to be sandwiched between upper molds having a flat work surface. After hot forging, cooling was performed by air cooling to room temperature. Thereafter, tempering was performed at 600 ° C. for 120 minutes, and cooling by air cooling was performed. As a comparative example, the forging material was heated and held at 900 ° C., then the temperature was lowered to 800 ° C., then air-cooled as it was without hot forging, and tempered at 600 ° C. for 120 minutes. Was made.

作製した鍛造材の高さおよび径の1/2の位置から、軸方向が鍛造材の圧下方向に対して垂直となるφ3mmのJIS14A号引張試験片として試験片No.1を採取した。また、比較材より、φ3mmのJIS14A号引張試験片である試験片No.2を採取した。表1に、試験片No.1およびNo.2の引張試験の結果を示す。No.1は熱処理のみを実施したNo.2よりも0.2%耐力、最大引張強さが高いことが分かる。   From the position of the height and the diameter of the forged material produced, the test piece No. JIS14A tensile test piece of φ3 mm whose axial direction is perpendicular to the forging direction of the forged material. 1 was collected. Further, from the comparative material, a test piece No. 3 which is a JIS 14A tensile test piece of φ3 mm. Two were collected. In Table 1, the test piece No. 1 and no. The result of the tension test of 2 is shown. No. No. 1 is a No. 1 sample subjected to heat treatment only. It can be seen that the 0.2% yield strength and the maximum tensile strength are higher than 2.

また、800℃で鍛造を実施した鍛造材における組織の評価を実施した。図2に作製した鍛造材の高さおよび径の1/2の位置の金属組織を示す。全面において、10μm以下の微細結晶粒が形成されていることがわかる。図3に比較例による熱処理材の金属組織を示す。結晶粒径は30μm程度であることがわかる。以上の結果より、熱間鍛造によって結晶粒が微細化したことがわかる。   Moreover, the structure | tissue evaluation in the forging material which forged at 800 degreeC was implemented. FIG. 2 shows the metal structure at a position half the height and diameter of the forged material produced. It can be seen that fine crystal grains of 10 μm or less are formed on the entire surface. FIG. 3 shows the metal structure of the heat-treated material according to the comparative example. It can be seen that the crystal grain size is about 30 μm. From the above results, it can be seen that the crystal grains were refined by hot forging.

以上の結果から、所定の温度範囲内で鍛造前加熱工程および熱間鍛造工程を行うことで、鍛造用素材にひずみを導入し、旧オーステナイト結晶粒を微細化することが可能であることがわかる。特に、高い圧縮率と高い総歪量を付与した場所は、強度、靱性の向上させることが期待できる。また、大型の鍛造材の外周部に高いひずみを付与する鍛造を実施することで、外周部の強度・靱性を向上させることができる。例えば、発電用タービン部品に用いることで、発電効率の向上を期待できる。   From the above results, it is understood that by performing the pre-forging heating step and the hot forging step within a predetermined temperature range, strain can be introduced into the forging material and the prior austenite crystal grains can be refined. . In particular, it can be expected that a place where a high compression ratio and a high total strain amount are imparted is improved in strength and toughness. Moreover, the intensity | strength and toughness of an outer peripheral part can be improved by implementing the forging which gives a high distortion | strain to the outer peripheral part of a large forged material. For example, improvement in power generation efficiency can be expected by using the power generation turbine component.

Claims (6)

質量%で、C:0.4%以下、Mn:0.2〜0.6%、Si:0.5%以下、Ni:3.0〜4.0%、Cr:1.0〜2.0%、Mo:0.2〜0.6%、V:0.05〜0.15%、残部はFe及び不可避的不純物からなる組成を有する鍛造用素材を、820〜1000℃に加熱する鍛造前加熱工程と、
前記鍛造前加熱工程の加熱温度より低温で且つ、700℃以上の温度で、前記鍛造前加熱工程で加熱した鍛造用素材を熱間鍛造して鍛造材とする熱間鍛造工程とを含み、
前記熱間鍛造工程における鍛造材の冷却を、焼入れを兼ねて行う蒸気タービン用素材の製造方法。
In mass%, C: 0.4% or less, Mn: 0.2-0.6%, Si: 0.5% or less, Ni: 3.0-4.0%, Cr: 1.0-2. 0%, Mo: 0.2-0.6%, V: 0.05-0.15%, the forging which heats the forging material which has a composition which consists of Fe and an unavoidable impurity to 820-1000 degreeC. A preheating step;
A hot forging step in which the forging material heated in the pre-forging heating step is hot forged at a temperature lower than the heating temperature of the pre-forging heating step and at a temperature of 700 ° C. or more to form a forging material,
The manufacturing method of the raw material for steam turbines which cools the forging material in the said hot forging process, and also serves as quenching.
前記熱間鍛造工程において前記鍛造用素材の圧縮率を50%以上とする請求項1に記載の蒸気タービン用素材の製造方法。   The manufacturing method of the raw material for steam turbines of Claim 1 which sets the compression rate of the said forging raw material to 50% or more in the said hot forging process. 前記熱間鍛造工程で得た鍛造材に550〜650℃の温度で焼戻しを行う焼戻し工程を更に含む請求項1または2に記載の蒸気タービン用素材の製造方法。   The manufacturing method of the raw material for steam turbines of Claim 1 or 2 which further includes the tempering process of tempering the forging material obtained at the said hot forging process at the temperature of 550-650 degreeC. 前記鍛造前加熱工程で加熱対象とする鍛造用素材は、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号がASTM No.4以上である請求項1乃至3の何れかに記載の蒸気タービン用素材の製造方法。   The forging material to be heated in the pre-forging heating process has an old austenite crystal grain number of ASTM No. The method for producing a steam turbine material according to any one of claims 1 to 3, wherein the number is 4 or more. 前記熱間鍛造工程で得た鍛造材はディスク形状を有し、前記ディスク形状の鍛造材の平均結晶粒径が10μm以下である請求項1乃至4の何れかに記載の蒸気タービン用素材の製造方法。   The forging material obtained in the hot forging step has a disk shape, and the average crystal grain size of the disk-shaped forging material is 10 µm or less. Method. 前記ディスク形状の鍛造材の直径が1m以上、質量が4000kg以上である請求項5に記載の蒸気タービン用素材の製造方法。   The method for producing a steam turbine material according to claim 5, wherein the disk-shaped forged material has a diameter of 1 m or more and a mass of 4000 kg or more.
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