JP3254098B2 - 回転体用低合金鋼 - Google Patents
回転体用低合金鋼Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は火力発電用蒸気タービン
ロータなどに適用できる回転体用低合金鋼に関する。
ロータなどに適用できる回転体用低合金鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、省エネルギ及び経済性の面からロ
ータ材の特性への要求も厳しくなり、それに合わせて材
料開発が行われてきた。ロータ材に求められる特性とし
ては引張強さ、クリープ強度、破壊靱性等であり、現在
使用されている主要な低合金鋼としてはクリープ強度が
要求される高圧用として１Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼などが、ま
た引張強度と破壊靱性が要求される低圧用として２．５
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼などが使用されている。プラントの大
容量化にともない蒸気タービンの単機容量が大きくな
り、材料技術においてもより高度なものが要求されるよ
うになってきている。
ータ材の特性への要求も厳しくなり、それに合わせて材
料開発が行われてきた。ロータ材に求められる特性とし
ては引張強さ、クリープ強度、破壊靱性等であり、現在
使用されている主要な低合金鋼としてはクリープ強度が
要求される高圧用として１Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼などが、ま
た引張強度と破壊靱性が要求される低圧用として２．５
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼などが使用されている。プラントの大
容量化にともない蒸気タービンの単機容量が大きくな
り、材料技術においてもより高度なものが要求されるよ
うになってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明はロータ材に要
求される常温での引張強さ、破壊靱性、クリープ強度に
優れ、かつ経済的な低合金鋼を提供するものである。
求される常温での引張強さ、破壊靱性、クリープ強度に
優れ、かつ経済的な低合金鋼を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】以下に示す成分と熱処理
により、回転体用部材として常温引張強さ、破壊靱性、
クリープ破断強度に優れた材料を発明した。すなわち、
本発明は 重量％でＣ：０．０２〜０．２％、Ｓｉ：
０．０５〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：
０．０１〜１％、Ｃｒ：０．８〜３．５％、Ｗ：０．１
〜３％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜
０．２％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．００
１〜０．０１％を含み残部は鉄及び不可避的不純物から
なり、焼きならし後、７００℃以下で焼戻し、常温の引
張強さが７５ｋｇｆ／ｍｍ2 以上であることを特徴とす
る高温強度の優れた回転体用低合金鋼及び 上記の
成分に加えてそれぞれ０．０１〜０．２重量％のＬａ，
Ｃａ，Ｙ，Ｃｅ，Ｔｉ，ＺｒおよびＴａからなる群から
選択した１種以上を含有する、焼きならし後、７００℃
以下で焼戻し、常温の引張強さが７５ｋｇｆ／ｍｍ2 以
上であることを特徴とする高温強度の優れた回転体用低
合金鋼である。本発明の低合金鋼はそれぞれを構成する
多数の合金成分の複合効果によって、総合的に優れた性
能をもつのであるが、以下に各成分の作用とその含有量
の選定理由を説明する。
により、回転体用部材として常温引張強さ、破壊靱性、
クリープ破断強度に優れた材料を発明した。すなわち、
本発明は 重量％でＣ：０．０２〜０．２％、Ｓｉ：
０．０５〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：
０．０１〜１％、Ｃｒ：０．８〜３．５％、Ｗ：０．１
〜３％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０１〜
０．２％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．００
１〜０．０１％を含み残部は鉄及び不可避的不純物から
なり、焼きならし後、７００℃以下で焼戻し、常温の引
張強さが７５ｋｇｆ／ｍｍ2 以上であることを特徴とす
る高温強度の優れた回転体用低合金鋼及び 上記の
成分に加えてそれぞれ０．０１〜０．２重量％のＬａ，
Ｃａ，Ｙ，Ｃｅ，Ｔｉ，ＺｒおよびＴａからなる群から
選択した１種以上を含有する、焼きならし後、７００℃
以下で焼戻し、常温の引張強さが７５ｋｇｆ／ｍｍ2 以
上であることを特徴とする高温強度の優れた回転体用低
合金鋼である。本発明の低合金鋼はそれぞれを構成する
多数の合金成分の複合効果によって、総合的に優れた性
能をもつのであるが、以下に各成分の作用とその含有量
の選定理由を説明する。
【０００５】
Ｃ：ＣはＣｒ，Ｆｅ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂと結合して炭化物を
形成し、高温強度に寄与するとともに、それ自身がオー
ステナイト安定化元素として組織を安定化する。０．０
２％未満では炭化物析出が不十分で、かつδ−フェライ
ト量が多くなり強度、靱性が不足になる。また、０．２
％を越える場合は炭化物が過剰析出して鋼が著しく硬化
し、加工性が悪くなる。そこで、Ｃの適正含有量を０．
０２〜０．２％とする。
形成し、高温強度に寄与するとともに、それ自身がオー
ステナイト安定化元素として組織を安定化する。０．０
２％未満では炭化物析出が不十分で、かつδ−フェライ
ト量が多くなり強度、靱性が不足になる。また、０．２
％を越える場合は炭化物が過剰析出して鋼が著しく硬化
し、加工性が悪くなる。そこで、Ｃの適正含有量を０．
０２〜０．２％とする。
【０００６】Ｓｉ：Ｓｉは脱酸剤として働き、また耐水
蒸気酸化特性を高める元素であるが、０．７％を越える
と靱性が著しく低下し、強度に対しても有害である。と
くに大型鍛鋼品では焼戻し脆化が問題となる。そこでＳ
ｉの含有量を０．０５〜０．７％とする。
蒸気酸化特性を高める元素であるが、０．７％を越える
と靱性が著しく低下し、強度に対しても有害である。と
くに大型鍛鋼品では焼戻し脆化が問題となる。そこでＳ
ｉの含有量を０．０５〜０．７％とする。
【０００７】Ｍｎ：Ｍｎは鋼の熱間加工性を改善し、組
織の安定化に有効であるが、０．１％未満では十分な効
果が得られず、１．５％を越えると鋼を硬化させ加工性
を損なうとともに、Ｓｉと同様に焼戻し脆化感受性を高
める。そこでＭｎの含有量を０．１〜１．５％とする。
織の安定化に有効であるが、０．１％未満では十分な効
果が得られず、１．５％を越えると鋼を硬化させ加工性
を損なうとともに、Ｓｉと同様に焼戻し脆化感受性を高
める。そこでＭｎの含有量を０．１〜１．５％とする。
【０００８】Ｎｉ：Ｎｉはオーステナイト安定化元素で
あり、かつ靱性改善に寄与するが、その含有量が１％を
越えると高温クリープ強度を損なう。また経済性を鑑み
ても大量添加は不利である。従ってＮｉの含有量は０．
０１〜１％とする。
あり、かつ靱性改善に寄与するが、その含有量が１％を
越えると高温クリープ強度を損なう。また経済性を鑑み
ても大量添加は不利である。従ってＮｉの含有量は０．
０１〜１％とする。
【０００９】Ｃｒ：Ｃｒは低合金鋼の耐酸化性、高温腐
食性の点から不可欠な元素であり、その含有量が０．８
％未満では十分な耐酸化性、高温腐食性が得られない。
一方３．５％を越えると靱性、熱伝導性が低くなり低合
金鋼の利点が少なくなる。従って、Ｃｒの含有量は０．
８〜３．５％とする。
食性の点から不可欠な元素であり、その含有量が０．８
％未満では十分な耐酸化性、高温腐食性が得られない。
一方３．５％を越えると靱性、熱伝導性が低くなり低合
金鋼の利点が少なくなる。従って、Ｃｒの含有量は０．
８〜３．５％とする。
【００１０】Ｗ：Ｗは固溶強化および微細炭化物析出強
化元素としてクリープ強度の向上に有効であり、０．１
％未満では効果がなく、３％を越えると鋼を硬化させて
加工性を損なうため０．１〜３％の範囲とする。５７５
℃以上の高温では、Ｗの含有量が多い方がクリープ強度
は高い。
化元素としてクリープ強度の向上に有効であり、０．１
％未満では効果がなく、３％を越えると鋼を硬化させて
加工性を損なうため０．１〜３％の範囲とする。５７５
℃以上の高温では、Ｗの含有量が多い方がクリープ強度
は高い。
【００１１】Ｖ：ＶはＣ，Ｎと結合してＶ（Ｃ，Ｎ）等
の微細析出物を形成する。この析出物は高温での長時間
クリープ強度の向上に大きく寄与するが、０．０１％未
満では十分な効果が得られず、０．５％を越える場合に
はかえってクリープ強度を損なうため、Ｖの含有量は
０．０１〜０．５％とする。
の微細析出物を形成する。この析出物は高温での長時間
クリープ強度の向上に大きく寄与するが、０．０１％未
満では十分な効果が得られず、０．５％を越える場合に
はかえってクリープ強度を損なうため、Ｖの含有量は
０．０１〜０．５％とする。
【００１２】Ｎｂ：ＮｂはＶと同様Ｃ，Ｎと結合してＮ
ｂ（Ｃ，Ｎ）を形成しクリープ強度に寄与する。特に６
００℃以下の比較的低温では著しい強度改善効果を示
す。０．０１％未満では上記の効果が得られず、また
０．２％を越える場合は未固溶ＮｂＣが増え、クリープ
強度と靱性を損なう。したがってＮｂ含有量は０．０１
％〜０．２％が適当である。
ｂ（Ｃ，Ｎ）を形成しクリープ強度に寄与する。特に６
００℃以下の比較的低温では著しい強度改善効果を示
す。０．０１％未満では上記の効果が得られず、また
０．２％を越える場合は未固溶ＮｂＣが増え、クリープ
強度と靱性を損なう。したがってＮｂ含有量は０．０１
％〜０．２％が適当である。
【００１３】Ｎ：ＮはＶ，Ｎｂとの炭窒化物形成に必要
で、０．００５％未満ではその効果がない。しかしなが
ら０．０３％を越える場合は、組織が微細化するととも
に窒化物が粗大化し、強度と靱性、加工性を損なう。そ
のため、Ｎの含有量は０．００５〜０．０３％とする。
で、０．００５％未満ではその効果がない。しかしなが
ら０．０３％を越える場合は、組織が微細化するととも
に窒化物が粗大化し、強度と靱性、加工性を損なう。そ
のため、Ｎの含有量は０．００５〜０．０３％とする。
【００１４】Ｂ：Ｂは極微量の添加により炭化物の分
散、安定化させる効果があ。０．００１％未満ではその
効果が小さく、０．０１％を越えると加工性を損なうか
ら、Ｂの添加はその含有量を０．００１％〜０．０１％
とする。
散、安定化させる効果があ。０．００１％未満ではその
効果が小さく、０．０１％を越えると加工性を損なうか
ら、Ｂの添加はその含有量を０．００１％〜０．０１％
とする。
【００１５】上記の各成分の外に、次の成分を必要に応
じて添加することができる。Ｌａ，Ｃａ，Ｙ，Ｃｅ，Ｔ
ｉ，ＺｒおよびＴａは鋼中の不純物元素（Ｐ，Ｓ，Ｏ）
とそれらの析出物（介在物）の形態制御を目的として添
加できる。これらの元素のうち少なくとも１種をそれぞ
れの元素について０．０１％以上添加することによって
不純物であるＯ，Ｐ，Ｓと安定で無害な化合物として固
定、清浄化し、強度と靱性を向上させる。しかしそれぞ
れ０．２％を越えると析出物（介在物）が増加し、かえ
って靱性を損なうので各々の含有量は０．０１〜０．２
％とする。
じて添加することができる。Ｌａ，Ｃａ，Ｙ，Ｃｅ，Ｔ
ｉ，ＺｒおよびＴａは鋼中の不純物元素（Ｐ，Ｓ，Ｏ）
とそれらの析出物（介在物）の形態制御を目的として添
加できる。これらの元素のうち少なくとも１種をそれぞ
れの元素について０．０１％以上添加することによって
不純物であるＯ，Ｐ，Ｓと安定で無害な化合物として固
定、清浄化し、強度と靱性を向上させる。しかしそれぞ
れ０．２％を越えると析出物（介在物）が増加し、かえ
って靱性を損なうので各々の含有量は０．０１〜０．２
％とする。
【００１６】本発明の鋼は前述の成分のほか、残部はＦ
ｅと不可避の不純物からなる。鋼の不純物として代表的
なものはＰ，Ｓである。Ｐは０．０２５％以下、Ｓは
０．０１５％以下に抑えるのが望ましい。これらはいず
れも靱性、加工性に有害な元素で、Ｓが極微量であって
も粒界やＣｒ2 Ｏ3 スケール皮膜を不安定にし、強度、
靱性、加工性劣化の原因となるから、上記の許容上限値
以下でもできるだけ少ないほうがよい。
ｅと不可避の不純物からなる。鋼の不純物として代表的
なものはＰ，Ｓである。Ｐは０．０２５％以下、Ｓは
０．０１５％以下に抑えるのが望ましい。これらはいず
れも靱性、加工性に有害な元素で、Ｓが極微量であって
も粒界やＣｒ2 Ｏ3 スケール皮膜を不安定にし、強度、
靱性、加工性劣化の原因となるから、上記の許容上限値
以下でもできるだけ少ないほうがよい。
【００１７】上記の成分により焼きならし後、７００℃
以下で焼戻すことで、高速回転するロータがタービン翼
から受ける引張応力に耐えうる常温で引張強さ７５ｋｇ
ｆ／ｍｍ2 以上の機械的性質をもつようになる。
以下で焼戻すことで、高速回転するロータがタービン翼
から受ける引張応力に耐えうる常温で引張強さ７５ｋｇ
ｆ／ｍｍ2 以上の機械的性質をもつようになる。
【００１８】
【実施例】表１に本発明鋼と比較鋼の化学成分および焼
戻温度を示す。比較鋼の内でＩ１〜Ｎ２で示す鋼はＩ３
〜Ｎ５の本発明鋼と同成分とし、焼戻温度を変えたもの
である。Ａ１鋼、Ａ２鋼はＳＴＢＡ２４、Ｂ１鋼、Ｂ２
鋼は高圧用ロータ材として使用されているＡＳＴＭ Ａ
４７０−８に準じた代表的なＣｒ−Ｍｏ鋼である。
戻温度を示す。比較鋼の内でＩ１〜Ｎ２で示す鋼はＩ３
〜Ｎ５の本発明鋼と同成分とし、焼戻温度を変えたもの
である。Ａ１鋼、Ａ２鋼はＳＴＢＡ２４、Ｂ１鋼、Ｂ２
鋼は高圧用ロータ材として使用されているＡＳＴＭ Ａ
４７０−８に準じた代表的なＣｒ−Ｍｏ鋼である。
【００１９】それぞれの供試鋼は高周波真空溶解炉でそ
れぞれ５０ｋｇ溶解、鋳造後、１１００℃で熱間鍛造を
行い４０×６０×１０００ｍｍの角材とした。通常の熱
処理（焼きならし、焼戻し）として比較鋼であるＡ１鋼
〜Ｈ２鋼はそれぞれ９６０℃で１時間保持後、空冷し、
６８０℃と７２０℃の２種類の温度でそれぞれ１時間保
持して空冷を行った。Ｉ１〜Ｎ２は１０４０℃×１時間
保持後、空冷した後、７１０℃と７３０℃で１時間保持
後空冷した。本発明鋼のＩ３鋼〜Ｎ５鋼は１０４０℃×
１時間→空冷のあと、６５０℃〜６９０℃の温度範囲で
２０℃刻み、３種類の焼戻温度にて１時間保持後、空冷
した。
れぞれ５０ｋｇ溶解、鋳造後、１１００℃で熱間鍛造を
行い４０×６０×１０００ｍｍの角材とした。通常の熱
処理（焼きならし、焼戻し）として比較鋼であるＡ１鋼
〜Ｈ２鋼はそれぞれ９６０℃で１時間保持後、空冷し、
６８０℃と７２０℃の２種類の温度でそれぞれ１時間保
持して空冷を行った。Ｉ１〜Ｎ２は１０４０℃×１時間
保持後、空冷した後、７１０℃と７３０℃で１時間保持
後空冷した。本発明鋼のＩ３鋼〜Ｎ５鋼は１０４０℃×
１時間→空冷のあと、６５０℃〜６９０℃の温度範囲で
２０℃刻み、３種類の焼戻温度にて１時間保持後、空冷
した。
【００２０】引張試験は試験形状をφ６ｍｍ×ＧＬ３０
ｍｍとし、室温にて行った。クリープ破断試験としては
引張試験片と同形状のφ６ｍｍ×ＧＬ３０ｍｍを用い
て、５００℃〜６００℃で最長１００００時間程度の試
験を行った。シャルピー衝撃試験はＪＩＳ４号試験片を
用い、ＦＡＴＴ（シャルピー衝撃試験片の脆性破面率が
５０％になる温度）を求めた。各供試鋼の試験結果を表
２にまとめて示す。
ｍｍとし、室温にて行った。クリープ破断試験としては
引張試験片と同形状のφ６ｍｍ×ＧＬ３０ｍｍを用い
て、５００℃〜６００℃で最長１００００時間程度の試
験を行った。シャルピー衝撃試験はＪＩＳ４号試験片を
用い、ＦＡＴＴ（シャルピー衝撃試験片の脆性破面率が
５０％になる温度）を求めた。各供試鋼の試験結果を表
２にまとめて示す。
【００２１】
【表１】
【００２２】
【表２】
【００２３】
【表３】
【００２４】本発明鋼の引張り強さはすべて比較鋼を上
回っており、焼戻温度が低いほど引張強さが高くなる傾
向が見られる。０．２％耐力についても同様の傾向が見
られる。引張強さが大きいものほど、伸びは小さくなっ
ており、引張強さが高い本発明鋼では比較鋼より全般的
に伸びが小さいが、回転体用低合金鋼として要求される
伸び特性は十分満たしている。靱性をあらわすＦＡＴＴ
においては引張強さと逆に焼戻し温度が低くなるほどＦ
ＡＴＴが大きくなっているが、本発明鋼のＦＡＴＴは室
温以下の値を示しており、実用上なんら問題のないレベ
ルである。クリープ破断強度は比較鋼に比べて２〜３ｋ
ｇｆ／ｍｍ2 高い強度を示している。
回っており、焼戻温度が低いほど引張強さが高くなる傾
向が見られる。０．２％耐力についても同様の傾向が見
られる。引張強さが大きいものほど、伸びは小さくなっ
ており、引張強さが高い本発明鋼では比較鋼より全般的
に伸びが小さいが、回転体用低合金鋼として要求される
伸び特性は十分満たしている。靱性をあらわすＦＡＴＴ
においては引張強さと逆に焼戻し温度が低くなるほどＦ
ＡＴＴが大きくなっているが、本発明鋼のＦＡＴＴは室
温以下の値を示しており、実用上なんら問題のないレベ
ルである。クリープ破断強度は比較鋼に比べて２〜３ｋ
ｇｆ／ｍｍ2 高い強度を示している。
【００２５】以上具体的に示したとおり、本発明鋼は請
求項に示した成分と７００℃以下の焼戻熱処理により、
回転体用低合金鋼として要求されている引張強さが７５
ｋｇｆ／ｍｍ2 以上で、かつ靱性および耐クリープ性に
すぐれた特性を有することがわかる。
求項に示した成分と７００℃以下の焼戻熱処理により、
回転体用低合金鋼として要求されている引張強さが７５
ｋｇｆ／ｍｍ2 以上で、かつ靱性および耐クリープ性に
すぐれた特性を有することがわかる。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば従来の低合金鋼では困難
であった高温強度、靱性、耐クリープ特性を同時に満足
する低合金鋼を提供することができる。この鋼は高温強
度、靱性、耐クリープ性、経済性を兼ね備えた新しい材
料として回転体用材料のみならず、耐熱耐圧部材として
管、板、その他さまざまな形状の鍛鋼品等に広く適用で
きるものである。
であった高温強度、靱性、耐クリープ特性を同時に満足
する低合金鋼を提供することができる。この鋼は高温強
度、靱性、耐クリープ性、経済性を兼ね備えた新しい材
料として回転体用材料のみならず、耐熱耐圧部材として
管、板、その他さまざまな形状の鍛鋼品等に広く適用で
きるものである。
フロントページの続き (72)発明者 横山 知充 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三菱重工業株式会社本社内 (72)発明者 伊勢田 敦朗 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−268040（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−217438（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60
Claims (2)
- 【請求項１】 重量％でＣ：０．０２〜０．２％、Ｓ
ｉ：０．０５〜０．７％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎ
ｉ：０．０１〜１％、Ｃｒ：０．８〜３．５％、Ｗ：
０．１〜３％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎｂ：０．０
１〜０．２％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｂ：０．
００１〜０．０１％を含み残部は鉄及び不可避的不純物
からなり、焼きならし後、７００℃以下で焼戻し、常温
の引張強さが７５ｋｇｆ／ｍｍ2 以上であることを特徴
とする高温強度の優れた回転体用低合金鋼。 - 【請求項２】 請求項１の成分に加えてそれぞれ０．０
１〜０．２重量％のＬａ，Ｃａ，Ｙ，Ｃｅ，Ｔｉ，Ｚｒ
およびＴａからなる群から選択した１種以上を含有す
る、焼きならし後、７００℃以下で焼戻し、常温の引張
強さが７５ｋｇｆ／ｍｍ2 以上であることを特徴とする
高温強度の優れた回転体用低合金鋼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04817795A JP3254098B2 (ja) | 1995-03-08 | 1995-03-08 | 回転体用低合金鋼 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04817795A JP3254098B2 (ja) | 1995-03-08 | 1995-03-08 | 回転体用低合金鋼 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08246096A JPH08246096A (ja) | 1996-09-24 |
| JP3254098B2 true JP3254098B2 (ja) | 2002-02-04 |
Family
ID=12796111
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04817795A Expired - Fee Related JP3254098B2 (ja) | 1995-03-08 | 1995-03-08 | 回転体用低合金鋼 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3254098B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3955719B2 (ja) | 2000-07-27 | 2007-08-08 | 株式会社東芝 | 耐熱鋼、耐熱鋼の熱処理方法および耐熱鋼部品 |
| JP4987263B2 (ja) | 2005-07-26 | 2012-07-25 | 三桜工業株式会社 | 高強度鋼管およびその熱処理方法 |
-
1995
- 1995-03-08 JP JP04817795A patent/JP3254098B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08246096A (ja) | 1996-09-24 |
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