JP4048331B2 - マルテンサイト・ステンレス鋼製の締結具、タービン・ロータの栓及びマルテンサイト・ステンレス鋼製の締結具の疲労強度を改善する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガス・タービン及びその構成要素に関する。更に具体的には、本発明は、圧縮機及びタービン・ロータの植え込みボルト（stud and bolt）のうち、そのねじ山の限定された部分を含めた特定の領域の表面を硬化させる（case-hardening）ことにより、植え込みボルトの疲労寿命を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス・タービンの圧縮機及びロータの器材、例えば、ディスクとスタブ・シャフトとを一緒にして固定して、ガス・タービン・エンジンのロータ・アセンブリを形成するのに用いられるねじ式締結具は典型的には、タイプ４２２等のマルテンサイト合金、又はより強度の高いオーステナイト合金で形成されている。マルテンサイト鋼で形成された場合に、このような器材は、多くのガス・タービンの動作中に遭遇する静的な機械的負荷及び動的な負荷に見合う十分な強度を示す。しかしながら、マルテンサイト鋼製の器材は、使用温度及び応力がより高いより大きなタービン系で用いられるときには、高サイクル疲労を起こし易い。オーステナイト合金は、マルテンサイト鋼よりも高サイクル疲労特性は向上しているかもしれないが、オーステナイト合金は、熱膨張係数がより高く、これにより、フェライト鋼で従来形成されているタービン・ロータを接合する締結具として用いられると不整合を生ずる。このように熱膨張が異なるので、適当な締め付け力を維持するために、締結具の静的な予荷重をより高くする必要がある。オーステナイト合金の更なる欠点は、オーステナイト合金がマルテンサイト鋼よりも比較的高価であることである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の理由から、従来技術では、より要求の多いガス・タービンの用途について適切な疲労特性を示すと共に、フェライト鋼製のロータに対して熱膨張の不整合を起こさないねじ式締結具が欠落していることが理解されよう。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの目的は、ガス・タービンのロータ又は圧縮機に用いるのに適するように改善された疲労特性によって特徴付けられている改良されたねじ式締結具を提供することにある。
本発明の更なる目的は、マルテンサイト鋼で形成された上述のような締結具を提供することにある。
【０００５】
本発明のもう１つの目的は、所望の疲労特性を得るために、上述のような締結具を選択的に加熱処理する方法を提供することにある。
本発明の更にもう１つの目的は、締結具の領域を選択的に加熱処理して、締結具の表面に１つ又はそれ以上の表面硬化された領域を形成することを含んでいる加熱処理を提供することにある。
【０００６】
本発明の更にもう１つの目的は、締結具のねじ山を歪めない加熱処理を提供することにある。
本発明の好ましい実施例によれば、これらの及びその他の目的及び利点は、以下のようにして達成される。
本発明によれば、比較的高い使用温度で動作する気体圧縮機及びガス・タービンでの使用に適するように、十分に向上した疲労強度を示すねじ式締結具が提供される。又、このような締結具を処理する方法も提供され、この方法によって、締結具に要求される他の特性を妨げずに疲労特性における目ざましい改善を達成するための選択的な加熱処理が行われる。
【０００７】
本発明の方法によって寄与されると判明した形式の締結具は一般的には、シャンクと、シャンクに隣接した移行領域と、移行領域がシャンクと当該ねじ山部との間に位置するように移行領域に隣接して設けられたねじ山部とを有していることを特徴とする。ねじ山部は、多数のねじ山を含んでおり、ねじ山部の最初のねじ山は、移行領域の最も近くに設けられており、ねじ山部の最後のねじ山は、移行領域から最も遠くに設けられている。締結具業界で一般に認められた用語法によれば、ねじ山部は、ねじ山の谷底（root）に対応している谷径（root diameter）によって特徴付けられる。
【０００８】
本発明の方法によれば、締結具は、加熱処理工程を受けており、この工程によって、移行領域に最も近いねじ山に、表面硬化された領域が優先的に発現すると共に、ねじ山部の谷径から下方のある深さにまで延びている。これに対して、移行領域から最も遠いねじ山は、表面硬化されている必要はない。ねじ山における上述した表面硬化パターンの驚くべき結果として、マルテンサイト鋼製の締結具は、成功裡に加熱処理されて、本発明で規定された加熱処理を受けていないこと以外では同一の締結具を１００％上回る高サイクル疲労耐久性を示した。このようにして、本発明は、比較的高い使用温度にさらされるガス・タービン・ロータ・アセンブリに使用するためにはオーステナイト合金製締結具を用いなければならないという従来技術の要件を克服する。
【０００９】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の実施例の記載から更によく理解されよう。
【００１０】
【実施例】
本発明の上述の利点及びその他の利点は、以下の記載を図面と併せて検討することにより更に明らかとなろう。
本発明は、大幅に向上した疲労特性を示すねじ式締結具と、当該方法によってこのような特性がマルテンサイト鋼材料において向上するような方法とを提供する。図１は、本発明の方法によって大きく寄与されると判明した形式のタービン・ロータの栓（stud）１０を示している。概略図示したように、栓１０は、栓１０の対向する両末端に設けられた２組のねじ山部１６ａと１６ｂとの間に、シャンク１２を有している。シャンク１２と、各々のねじ山部１６ａ及び１６ｂとの間には、移行領域１４ａ及び１４ｂが設けられており、従来技術によれば、移行領域１４ａ及び１４ｂは、栓１０の応力集中を低減させるように作用する。
【００１１】
本発明にとって関心のあるねじ式締結具、即ち、図１に示す栓１０を典型とするガス・タービン・ロータ及び圧縮機の栓は、ＡＩＳＩタイプ４２２ＳＳ等のマルテンサイト合金で形成されている。但し、他のマルテンサイト合金を用いることもできる。このような締結具は典型的には、棒材製品を機械加工し、次いで、ねじ山部１６ａ及び１６ｂを圧延（roll）することにより作製されている。本発明によって包含される形式の圧縮機の栓は更に、加熱処理の後にニッケル−カドミウムでめっきして耐腐食性を向上させることを含むことがある。一般的な従来技術の実施では、マルテンサイト材料の加熱処理は、約１０２５℃〜約１０５０℃（約１８７５°Ｆ〜約１９２５°Ｆ）で加熱処理し、続いて油で急冷（油焼き入れ（オイル・クエンチ））してから、最低約６２０℃（約１１５０°Ｆ）で焼き戻すことにより、４５Ｒｃ〜５０Ｒｃの硬度を達成するまでに限られていた。
【００１２】
図１に示す栓１０は、ガス・タービン及び圧縮機に使用される形式のねじ式締結具の典型であるが、当業者は、本発明の寄与が、同様の動作条件下で用いられる他のマルテンサイト製締結具にも拡張され得ることが理解されよう。
本発明によれば、栓１０等のねじ式締結具は、選択的な加熱処理、好ましくは誘導表面硬化処理を受けて、これにより、締結具の表面に表面硬化された領域が発現する。本発明によって用いられる装置及び処理は、自動車用のシャフト及びギヤ用の表面硬化用途に用いられている装置及び処理と同様のものであり、ねじ式締結具に発現した結果として得られる表面硬化された領域は、このような締結具の疲労特性を大幅に向上させる方式で、ねじ山、即ち、栓１０のねじ山部１６ａ及び１６ｂに選択的に集中させられている。一般的には、本発明の方法によって形成された表面硬化されたねじ山は、強度及び靱性のある焼き戻しされたマルテンサイトの中心部（コア）と、遥かに強度が高く、延性はより少なく、焼き戻しされていない焼き肌であって、比較的高い残留圧縮応力を示す焼き肌とによって特徴付けられている。表面の強度の増大と残留圧縮応力の増大との組み合わせにより、疲労亀裂の開始に対する耐久性が向上し、これにより、締結具の疲労特性が改善されるものと考えられる。
【００１３】
図２を参照すると、栓１０が誘導コイル１８の内部で回転しており、コイル１８が移行領域１４ａとねじ山部１６ａのねじ山のおよそ半分とを取り巻くように配置されていることが示されている。誘導加熱処理中に、栓１０のマルテンサイト材料は、再度オーステナイト化され、その後、液体で急冷（リキッド・クエンチ）することにより、図３に示す表面硬化されたマルテンサイト領域２０が発現する。注目すべきこととして、図３に示す表面硬化された領域２０は、ねじ山部１６ａに直接に隣接している移行領域１４ａの領域内へは延びていない。測定可能な焼き肌の深さ（硬度が表面の硬度よりも１０Ｒｃポイント下回った所での表面からの深さとして定義される）について、表面硬化は、図３に表面硬化されていないように示されている移行領域１４ａの部分には本質的に存在していない。しかしながら、移行領域１４ａの全体が、ねじ山部１６ａの内部での深さと近似的に同等の深さにまで表面硬化されていてもよいものと見越される。
【００１４】
本発明の開発に際して、図１に示した形式と同様の形式の栓を評価した。基本サンプル群としていくつかの標本を除外しておく一方で、本発明に従って処理された標本は、従来の誘導コイル内で、約９００ｒｐｍの速度で、図２に概略図示した方式で回転させることにより加熱処理された。誘導コイルは、約１．５インチ（約４０ｍｍ）の軸方向長さを有しており、約３００ｋＨｚの周波数で動作して、比較的浅い熱浸透を達成し、栓の表面の下方での残留圧縮応力を所望の水準とした。典型的な残留応力分布を図５に示す。同図は、圧縮応力が、栓の表面から下方に約５５マイクロインチ（約１．４ｍｍ）の深さに存在していたことを示している。硬化工程は、約５．５秒の持続時間で１パルスという単一の加熱サイクルを含んでおり、このとき、出力レベルは約９８ｋＷであり、この間で、ピーク温度は約１０９０℃（約２０００°Ｆ）に達した。加熱処理に続いて、標本は、合成急冷剤内で約３０℃（約９０°Ｆ）で直ちに急冷された。
【００１５】
加熱処理された標本の評価は、図３を作成した顕微鏡写真等の金属顕微鏡検査と、表面硬化された領域の焼き肌の深さを決定するために行われたヌープ（Knoop）微小硬度測定とを含んでいた。残留応力の測定は、Ｘ線回折法を用いて行われ、その結果が図５に示されている。最後に、高サイクル疲労試験が、室温で平均応力を一定値の約５４ｋｓｉ（約３７０ＭＰａ）として行われ、様々な水準の交番応力を用いて図４のＳ−Ｎ（応力−歪）図を作成した。所与の標本について、疲労破損が起こらなかった場合には、１０００万サイクルの後に試験を終了した。
【００１６】
加熱処理された標本を目視検査すると、これらの標本が物理的損傷又は歪みの兆候を何ら見せていないことがわかった。このことは、適当な雌ねじを用いて行われた限界試験（go/no go test）によって確認された。加熱処理された標本を金属顕微鏡検査した結果、歯状突起における微細構造及び表面硬化された領域の殆どにおける微細構造が焼き戻しされていないマルテンサイトであり、元来の焼き戻しされたマルテンサイト構造への移行が、表面硬化された領域の半径方向内側の境界に存在していることがわかった。図３を参照して上で述べたように、表面硬化された領域は、ねじ山に直接に隣接した移行領域の部分を貫通して延びてはいないが、その代わりに、ねじ山のすぐ外側で最小値（焼き肌の深さが本質的に０μｍ）に低下し、次いで、シャンクに最も近い移行領域の部分の内部では再び増大していた。加熱処理された標本のシャンクも又、表面硬化された領域を本質的に有していない様子であった。シャンクに最も近い移行領域の部分は、ねじ山の表面硬化された領域の深さと近似的に同等の深さまで表面硬化されていた。
【００１７】
加熱処理された標本の硬度を測定すると、歯状突起は、本質的に完全に硬化されており、焼き肌の深さは、各々の標本の谷径から約１ｍｍ（約０．０４０インチ）であることがわかった。測定された硬度は、歯状突起の山の頂（crest）の近くでは、約５０Ｒｃ〜約５５Ｒｃの範囲にあり、歯状突起の谷底の近くでは、約５０．５Ｒｃ〜約５３．５Ｒｃの範囲にあり、最低の硬度として、歯状突起の谷底から下方に約１ｍｍの所で約４２Ｒｃ〜約５１Ｒｃが測定された。標本の中心部の硬度は、約３４Ｒｃ〜約３５Ｒｃの範囲にあった。
【００１８】
図４に示す結果は、加熱処理された標本の疲労特性が、基本（加熱処理されていない）標本よりも、目ざましく格段に優れていることを示している。一般的には、加熱処理された標本の耐久限度は、基本標本よりも、約３０ＭＰａ〜約７０ＭＰａ（約４ｋｓｉ〜約１０ｋｓｉ）優れており、即ち、およそ１００％〜２００％増大している。疲労強度がこのように向上したことは、栓の限定された数のねじ山の内部に存在する表面硬化された領域が限定されていると共に選択的であることを考慮した場合には特に、期せずして良好であると考えられた。注目すべきこととして、より硬くより深い表面硬化された領域によって特徴付けられている標本は一般的に、歯状突起内で亀裂をより起こし易いことが判明しており、このことは、疲労特性を向上させるためには加熱処理工程中に選択性と制御とを働かせなければならないことを示している。全般に、本発明の誘導硬化工程は、ねじ式締結具の疲労特性を改善することに関して、ピーニング及びネジ圧延（rolling）等の従来の硬化法の場合よりも遥かに効果的であることが判明した。最適な条件は一般的には、肌焼きの深さが約１ｍｍ及び最大硬度が約５０Ｒｃであることと結論付けられ、これらの値は、ピーニング及びネジ圧延では実現不可能である。
【００１９】
以上を考慮すると、本発明の重要な利点は、表面硬化された領域が締結具のねじ山領域に選択的に発現しているならば、締結具において向上した疲労特性が達成されるということにあると理解されよう。注目すべきこととして、ねじ山とシャンクとのすべてが硬化される処理とは対照的に、ねじとシャンクとの界面の最も近くのねじ山において誘導硬化が誘起されている方が望ましい結果が得られた。もう１つの重要な利点は、本発明の方法が、従来の誘導加熱処理装置を用いて実行されることができ、ガス圧縮機及びガス・タービンに用いられる栓の不規則な形状に適応させるように特別に構成するような必要がないことにある。
【００２０】
好ましい実施例に関して著者等の発明を記載してきたが、当業者によってその他の形態が採用され得ることは明らかである。従って、著者等の発明の要旨は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
独占的な所有権及び特許権が請求される本発明の実施例は、特許請求の範囲として定義されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法に関連した改良を達成することができるような形式のタービン・ロータの栓を示す図である。
【図２】本発明の好ましい実施例に従った誘導加熱処理を受けている図１の栓を表す図である。
【図３】本発明に従った好ましい表面硬化パターンを微視的に示す図である。
【図４】本発明の方法によって高サイクル疲労特性が改善されたその程度を示す図である。
【図５】本発明の方法によって誘起される望ましい残留応力分布のグラフ図である。
【符号の説明】
１０ 栓
１２ シャンク
１４ａ、１４ｂ 移行領域
１６ａ、１６ｂ ねじ山部
１８ 誘導コイル
２０ 表面硬化された領域

Claims (4)

1. 向上した疲労強度を示すマルテンサイト・ステンレス鋼製の締結具であって、該締結具は、
   シャンクと、
   該シャンクに隣接した移行領域であって、前記シャンクから離隔している第１の部分と、該第１の部分と前記シャンクとの間に位置するように前記シャンクに直接に隣接している第２の部分とを有している移行領域と、
   該移行領域が前記シャンクと当該ねじ山部との間に設けられるように、前記移行領域の前記第１の部分に隣接して設けられているねじ山部であって、該ねじ山部は、複数のねじ山を含んでおり、第１の組の前記ねじ山が、前記移行領域の最も近くに設けられていると共に、第２の組の前記ねじ山が、前記移行領域から最も遠くに設けられており、前記ねじ山部は、前記ねじ山の谷底に対応している谷径により特徴付けられている、ねじ山部とを備えており、
   前記第１の組のねじ山は、前記ねじ山部の谷径から下方のある深さにまで表面硬化された領域を有していることを特徴としており、前記シャンクは、表面硬化された領域を有していないマルテンサイト・ステンレス鋼製の締結具。
2. 向上した疲労強度を示すタービン・ロータの栓であって、該栓は、
   シャンクと、
   前記栓の末端に設けられているねじ山部であって、該ねじ山部は、複数のねじ山を含んでおり、第１の組の前記ねじ山が、前記シャンクの最も近くに設けられていると共に、第２の組の前記ねじ山が、前記シャンクから最も遠くに設けられており、前記ねじ山部は、前記ねじ山の谷底に対応している谷径により特徴付けられている、ねじ山部と、
   前記シャンクと前記ねじ山部との間に設けられている移行領域であって、前記第１の組のねじ山に直接に隣接している第１の部分と、前記シャンクに直接に隣接している第２の部分とを有している移行領域とを備えており、
   前記第１の組のねじ山は、前記ねじ山部の谷径から下方のある深さにまで前記栓内へ延びている表面硬化された領域により特徴付けられており、前記移行領域の前記第１の部分は、表面硬化された領域を実質的に有しておらず、前記シャンク及び前記第２の組のねじ山は、表面硬化された領域を有していないタービン・ロータの栓。
3. 前記表面硬化された領域は、少なくとも約４２Ｒｃの硬度を有しており、前記栓は、前記表面硬化された領域の外側で該表面硬化された領域よりも低い硬度を有している請求項２に記載のタービン・ロータの栓。
4. シャンクと、ねじ山部と、前記シャンクと前記ねじ山部との間に設けられている移行領域とを有する、マルテンサイト・ステンレス鋼製の締結具を形成する方法において、
   前記ねじ山部は、第１の組のねじ山を前記シャンクの最も近くに設けると共に、第２の組のねじ山を前記シャンクから最も遠くに設け、
   前記移行領域は、前記第１の組のねじ山に直接に隣接している第１の部分と、前記シャンクに直接に隣接している第２の部分とを有し、
   前記第１の組のねじ山を、該ねじ山部の谷径から下方のある深さにまで表面硬化させ、前記シャンクを表面硬化させない
   締結具を形成する方法。

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