JP5653653B2 - 回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機に関する。

従来から、例えば、遠心圧縮機等の回転機械は、ガスタービンにおけるタービンへのガスの供給や、油田からの原油採掘の際に地中にガスを注入する処理等に使用される。このような回転機械に用いられる部品には大きな負荷が作用するため、例えば、インペラ等の回転機械部品の材質には高強度の金属材料が用いられる。

一方、油井環境など使用される遠心圧縮機においては、供給流体であるプロセスガス中に、金属材料の腐食を促進させる成分、例えば、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）あるいは塩素（Ｃｌ）等が多く含まれており、これらのガスが溶解した腐食水溶液にインペラが接触する。このため、遠心圧縮機の駆動時に大きな負荷が掛かるインペラでは、上述のような腐食成分によって腐食が生じ、ひいては応力腐食割れが発生して破断に至る虞がある。

上述のような油性環境に耐え得る材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼やＮｉ基合金等が挙げられ、これらの金属材料が油性管等に用いられている。しかしながら、これらの材料は強度が低いため、遠心圧縮機のインペラ等、回転機械に用いられる部品には適用できないという問題がある。
このため、従来、遠心圧縮機のインペラ用の材料としては、例えば、１７−４ＰＨ等の析出硬化マルテンサイト系ステンレス鋼や、ＳＵＳＦ６ＮＭ等のマルテンサイト系ステンレス鋼等が適用されている。しかしながら、これらの材料も、耐食性は決して高くなく、上記同様、腐食成分によって腐食や応力腐食割れが発生する虞がある。

また、インペラに用いる金属材料として、耐食性を有するＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌに類似する材料等を採用することが提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。しかしながら、非特許文献１に記載されたような材料を用いたとしても、流体中に含まれる腐食成分の割合が高くなった場合には、上記同様、腐食や応力腐食割れが発生する虞がある。
また、インペラの材料として、耐食性と強度を兼備するＩｎｃｏｎｅｌ７１８等の析出硬化Ｎｉ基合金を採用することも考えられる。しかしながら、上述のような析出硬化Ｎｉ基合金は高価であり、製造コストが上昇するという問題がある。

ここで、二相ステンレス鋼は、実用上、充分な耐食性及び強度を有し、比較的安価な金属材料として知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。このため、近年、遠心圧縮機のインペラ等の回転機械部品用の材料として、二相ステンレス鋼が好適に用いられるようになっている。
しかしながら、上述のような二相ステンレス鋼をインペラ等の回転機械部品に用いた場合、以下に説明するような問題がある。

まず、二相ステンレス鋼では、部品製造時の溶接処理や各種熱処理工程等において、４５０〜１０００℃程度の温度で等温保持あるいは徐冷した場合に、４７５℃ぜい性やσぜい性が生じる。このため、素材の靱性が低下し、当該部品の製造工程や、遠心圧縮機等の回転機械の運転時、割れが発生し易くなるという問題がある。

また、二相ステンレス鋼からなる素材に溶体化処理を施し、次いで、部品製造時の溶接処理や機械加工処理を行った後に行なう焼鈍処理においては、残留応力を効果的に除去するため、一般に、可能な限り高温で加熱することが好適であることが知られている。
しかしながら、二相ステンレス鋼素材を高温で保持した場合、４７５℃ぜい性やσぜい性が生じるため、上記同様、当該部品の製造工程や回転機械の運転時に割れが発生し易くなるという問題がある（図９のグラフも参照）。このため、従来、溶接処理や機械加工処後に行なう焼鈍処理においては、通常の熱処理時間では残留応力の除去に不充分な３００〜４００℃の温度で熱処理が行なわれている。

特公昭５８−０５３０６２号公報 特公昭５９−０１４０９９号公報 特許第３２２７７３４号公報

Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｍｉｌｌｅｔ 他、ＳＵＰＥＲＤＵＰＬＥＸ ＳＴＡＩＮＬＥＳＳ ＳＴＥＥＬ ＵＳＥ ＩＮ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＨＩＧＨＬＹ ＳＯＵＲ ＧＡＳ ＣＥＮＴＲＩＦＵＧＡＬ ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲＳ、「ＴＨＥ ＡＭＥＲＩＣＡＮ ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＳ」、アメリカ合衆国、１９９６年、９６−ＧＴ−２７２

ここで、本発明者等が鋭意研究したところ、図９のグラフに示すように、３００〜４００℃の温度で二相ステンレス鋼の焼鈍処理を行なった場合には、高い靱性（グラフ中の実線を参照）が得られる一方で、残留応力（グラフ中の破線を参照）の破線が除去され難くなることが明らかとなった。このため、上記条件で焼鈍処理が施されたインペラ等の回転機械部品は、内部に高い残留応力が保持された状態となり、回転機械の運転時に亀裂や疲労破壊等が生じる虞があった。
これに対し、４００℃以上の温度で二相ステンレス鋼の焼鈍処理を行なった場合には、残留応力が充分に低減される一方で靱性が低下する。このため、上記条件で焼鈍処理が施されたインペラ等の回転機械部品は、上記同様、当該部品の製造工程や回転機械の運転時に割れが発生し易くなるという問題があった。

また、従来、回転機械部品を製造する際は、素材供給元において金属材料素材を鋳造及び鍛造処理することで、一旦、丸棒状のブルームを製造する。その後、部品加工元において、ブルームに対して自由鍛造及び型鍛造等を施すことにより、インペラ形状等の回転機械部品に形成している。ここで、ブルームの径が大き過ぎる場合、溶体化処理において厚肉素材の中心付近における冷却速度が遅くなるため、二相ステンレス鋼ではぜい化相が析出する虞がある。このため、一般に、ブルームの最大径は３００ｍｍ程度とし、素材表面から中心部までの寸法を一定以下とすることで冷却速度を確保し、溶体化処理におけるぜい化相の析出を防止していた。しかしながら、上述のように、ブルームの径を３００ｍｍ以下とした場合には、部品加工元において、鍛造処理によって形成されるインペラの形状が制約を受けるという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、低い残留応力と高い靱性とが両立でき、腐食成分が含まれた流体が供給された場合であっても、腐食や応力腐食割れが生じるのが抑制された回転機械部品を製造することが可能な回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では以下の構成を採用した。
即ち、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法は、二相ステンレス鋼からなる素材に、少なくとも溶体化処理を施して回転機械部品用素材を製造する方法であって、前記素材は、最大肉厚が３００ｍｍ以下の円板状素材であり、前記円板状の素材に厚さ方向で貫通孔を形成した後、前記溶体化処理として、前記素材を９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱した後、この温度から７００℃迄の平均冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上として冷却することを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法においては、前記平均冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上とすることがより好ましい。

係る構成の回転機械部品用素材の製造方法によれば、溶体化処理を上記条件として行なうことにより、ぜい化相の析出を抑制し、高い靱性を備える回転機械部品用素材を製造することができる。
また、二相ステンレス鋼材料である鋳塊から、回転機械部品に近似した寸法形状まで直接鍛造して素材形成することで、ぜい化相の析出が抑制されて靱性に優れ、厚肉且つ大径の回転機械部品を構成することが可能な回転機械部品用素材を製造することができる。

また、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法は、前記素材に対して前記溶体化処理、機械加工を施した後、さらに、５３０〜５７０℃の範囲の温度で焼鈍処理を施すことを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法は、前記焼鈍処理の時間を１〜１２ｈ、より好ましくは４〜８ｈの範囲とすることを特徴とする。
係る構成の回転機械部品用素材の製造方法によれば、上記条件の焼鈍処理を行なうことにより、素材の残留応力が低減され、且つ、高い靱性を有する回転機械部品用素材を製造することができる。

また、本発明に係る回転機械部品用素材は、上記製造方法によって製造されることを特徴とする
また、本発明に係る回転機械部品は、上記回転機械部品素材に所定の加工処理を施すことによって得られることを特徴とする。
係る構成の回転機械部品用素材並びに回転機械部品によれば、上記製造方法によって得られる回転機械部品用素材であり、また、この回転機械部品用素材を使用して得られる回転機械部品なので、低い残留応力と高い靱性との両立が可能となる。

また、本発明に係る回転機械部品の製造方法は、二相ステンレス鋼からなる素材に、少なくとも所定の温度で溶体化処理を施した後、所定の加工処理を施して回転機械部品を製造する方法であって、前記素材は、最大肉厚が３００ｍｍ以下の円板状素材であり、前記円板状の素材に厚さ方向で貫通孔を形成した後、前記溶体化処理として、前記素材を９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱した後、この温度から７００℃迄の平均冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上として冷却することを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械部品の製造方法においては、前記平均冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上とすることがより好ましい。

係る構成の回転機械部品の製造方法によれば、上記同様、溶体化処理を上記条件として行なうことにより、ぜい化相の析出を抑制し、高い靱性を備える回転機械部品を製造することができる。
また、上記同様、二相ステンレス鋼材料である鋳塊から、回転機械部品に近似した寸法形状まで直接鍛造して素材を形成した後、各種加工処理を施すことで、ぜい化相の析出が抑制されて靱性に優れ、厚肉且つ大径の回転機械部品を構成することが可能となる。

また、本発明に係る回転機械部品の製造方法は、前記素材に対して所定の加工処理を施した後、さらに、５３０〜５７０℃の範囲の温度で焼鈍処理を施すことを特徴とする。
また、本発明に係る回転機械部品の製造方法は、前記焼鈍処理の時間を１〜１２ｈの範囲とすることを特徴とする。
係る構成の回転機械部品の製造方法によれば、上記条件の焼鈍処理を行なうことにより、上記同様に、素材の残留応力が低減され、且つ、高い靱性を有する回転機械部品を製造することができる。

また、本発明に係る回転機械部品は、上記製造方法によって製造されることを特徴とする。
係る構成の回転機械部品によれば、上記製造方法によって得られるものなので、低い残留応力と高い靱性との両立が可能となる。

また、本発明に係る回転機械は、上記回転機械部品が備えられてなることを特徴とする。
また、本発明に係る遠心圧縮機は、上記回転機械部品がインペラであり、該インペラが備えられてなることを特徴とする。
係る構成の回転機械並びに遠心圧縮機によれば、上記製造方法によって得られる回転機械部品（インペラ）が備えられたものなので、腐食成分によって生じる腐食や応力腐食割れが抑制され、運転時における割れ等の発生を防止することが可能となる。

本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法によれば、上記構成により、ぜい化相の析出を抑制し、高い靱性を備える回転機械部品用素材及びそれを用いてなる回転機械部品を製造することが可能となる。またさらに、上記構成の製造方法によって焼鈍処理を施した場合には、素材の残留応力が低減され、且つ、高い靱性を有する回転機械部品用素材及びそれを用いてなる回転機械部品を製造することが可能となる。
また、本発明の回転機械並びに遠心圧縮機によれば、上記製造方法によって得られる回転機械部品、インペラが用いられたものなので、腐食成分によって生じる腐食や応力腐食割れが抑制され、機械運転時における割れ等の発生を防止することができる。

本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、回転機械部品の一例であるインペラが用いられてなる遠心圧縮機を示す概略断面図である。 本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、図１に示す遠心圧縮機に備えられ、回転機械部品の一例であるインペラの中間品状態を示す概略斜視図である。 本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、焼鈍温度に対する素材の靱性及び残留応力の関係を表すグラフである。 本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、鋼材鋳塊から回転機械部品に近似した寸法形状まで直接鍛造して形成した場合の回転機械部品用素材を示す概略断面図である。 本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、回転機械部品用素材を水冷した際の処理時間と温度との関係を示す冷却曲線（冷却速度）グラフである。 本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、溶体化処理における平均冷却速度と素材のσ相（ぜい化相）面積比率との関係を示すグラフである。 本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、１０５０℃から７００℃の間の必要冷却速度及び熱処理最大厚みと、耐孔食性指数（Ｐ．Ｉ値）との関係を示すグラフである。 本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機の一例を模式的に説明する図であり、焼鈍温度と素材のシャルピー衝撃値との関係を表すグラフである。 従来の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法を説明する図であり、焼鈍温度に対する素材の靱性及び残留応力の関係を表すグラフである。

以下、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品並びに遠心圧縮機を実施するための形態について、遠心圧縮機に用いられるインペラの製造方法を例にして、図１〜図８を適宜参照しながら説明する。
なお、以下の説明において参照する各図面は、主として、遠心圧縮機に用いられるインペラ（回転機械部品）を説明するための図面であり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の寸法関係とは異なっていることがある。

［遠心圧縮機（回転機械）］
図１は、本実施形態の製造方法によって得られるインペラ（回転機械部品）１が用いられてなる遠心圧縮機の一例を示す断面図である。この遠心圧縮機１０は、流体であるプロセスガスＧを圧縮するものであり、外郭をなすケーシング１１と、該ケーシング１１に回転可能に支持されて図示略の駆動部によって回転するロータ１２と、ケーシング１１内部でロータ１２に同軸に取り付けられた複数のインペラ１とを備える。ここで、ロータ１２を回転させる駆動部としては、電動モータや、タービンなど、用途により様々なものが選択可能である。

図１に示す例の遠心圧縮機１０は、ケーシング１１の両側に、それぞれジャーナル軸受１１ａ及びスラスト軸受１１ｂが設けられており、ロータ１２の回転軸１２ａは、これらジャーナル軸受１１ａ及びスラスト軸受１１ｂに回転可能に支持されている。また、ケーシング１１は、ロータ１２及びインペラ１の周囲に各インペラ１との間に連続した複数の作動室１１ｃを形成するとともに、その両側には、作動室１１ｃと連通するようにして、プロセスガスＧが流入する吸込口１１ｄと、流出する吐出口１１ｅとが設けられている。
上記構成とされた遠心圧縮機１０においては、回転運動によってプロセスガスＧを圧縮するインペラ１が、吸込口１１ｄから流入したプロセスガスＧ並びに該プロセスガスＧが溶解した水溶液等に接触する構成とされている。

『インペラ（回転機械部品）』
インペラ１は、図１に示す例においては、略円盤状の本体部１ａに複数の羽根１ｂが放射状に立設され、該羽根１ｂの先端にシュラウド１ｃが取り付けられて構成されている。そして、本体部１ａと、シュラウド１ｃと、隣り合う羽根１ｂ同士とにより形成される流路１ｄによって、圧縮対象の流体であるプロセスガスＧを、径方向内側で軸方向に流入させ、径方向外側に向かって排出することが可能となっている。

インペラ１を形成するインペラ材料としては、プロセスガスＧを圧縮する際に大きな負荷が作用するため、一般に、ステンレス鋼等の高強度の金属材料が選択される。また、後述するように、プロセスガスＧに腐食成分が含まれているような油井環境下において使用する場合には、二相ステンレス鋼等の強度及び耐食性の両方を有する金属材料を採用することが好ましい。なお、本発明において用いられる二相ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、並びに、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当材等が挙げられる。
本実施形態のインペラ１は、後述の製造方法によって得られる回転機械部品用素材に対し、少なくとも機械加工並びに必要に応じて溶接処理を施すか、あるいは、後述の回転機械部品の製造方法によって得られるものである。

［回転機械部品用素材の製造方法］
以下に、本実施形態の回転機械部品用素材の製造方法について、上述のインペラ１を形成するための素材を例に説明する。
本実施形態の回転機械部品用素材（図４の符号Ａを参照）の製造方法は、二相ステンレス鋼からなる素材に、少なくとも溶体化処理を施す方法であり、該溶体化処理は、前記素材を９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱した後、この温度から７００℃迄の平均冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上として冷却する方法である。

本実施形態の製造方法で用いる二相ステンレス鋼からなる素材としては、特に限定されないが、上述したような、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ並びにＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当材等からなる素材を用いることが、強度及び耐食性の点から好ましい。

本実施形態の製造方法は、まず、上記金属材料からなる鋳塊から、例えば、ブルームと呼ばれる棒状の素材、あるいは、後述するような、厚さが規定範囲とされた円筒状の素材を形成する。そして、この素材に対し、以下に説明するような各種熱処理を施すことにより、その機械的特性を改善するものである。

ここで、本発明において説明する溶体化処理とは、合金固有の温度に高温加熱した後、急冷する処理を行なうことにより、低温において通常は析出する合金元素を基本金属元素に固溶させたままの状態とすることで、合金の機械的特性を高める処理であり、固溶化処理あるいは焼入れ処理とも呼ばれる。このような溶体化処理を行なうことにより、金属材料の靱性を向上させることが可能となる。
なお、ステンレス鋼の場合、溶体化処理における高温加熱温度は、一般に９５０〜１１００℃の範囲とされ、概ね１０５０℃の温度がより好適とされる。本実施形態の製造方法においては、素材を上記温度で加熱して溶体化処理を行なうことにより、素材に４７５℃ぜい性やσぜい性等のぜい化相が析出するのが抑制され、高い靱性を備える回転機械部品用素材を製造することができる。溶体化処理における加熱温度が上記温度範囲を外れると、上述したような焼入れ効果が得られ難くなる虞がある。

また、本実施形態の溶体化処理においては、上記温度に高温加熱した素材を、この温度から７００℃まで冷却する際、平均冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上とすることが好ましく、３０℃／ｍｉｎ以上とすることがより好ましい。溶体化処理における平均冷却速度を上記速度とすることにより、平均冷却速度が遅い場合に比べてσぜい化相の析出を効果的に抑制することができ、素材の靱性を向上させることが可能となる（図６及び図７に示すグラフも参照）。この際の冷却方法としては、水冷による方法を何ら制限無く採用することができる。
溶体化処理における平均冷却速度が２０℃／ｍｉｎ未満だと、素材中に析出するσぜい化相が増加し、素材の靱性が低下してしまう。

また、本実施形態の回転機械部品用素材の製造方法においては、素材に対して上記条件の溶体化処理を施した後、さらに、５３０〜５７０℃の範囲の温度で焼鈍処理を施すことがより好ましい。素材に対し、上記温度条件による焼鈍処理を施すことにより、素材の残留応力が低減され、且つ、高い靱性を有する回転機械部品用素材を製造することが可能となる。

本発明者等は、回転機械部品用素材の製造工程における焼鈍処理について、鋭意検討を行なった。この結果、図３のグラフに示すように、焼鈍処理における温度を５３０〜５７０℃の範囲とすることにより、高い素材靱性が確保できるとともに、残留応力が充分に低減されることを見出した。
焼鈍処理の温度が５３０℃未満だと、図３に示すように、素材の靱性は高くなるものの、残留応力が低減されず、強度特性の低い素材となる虞がある。また、焼鈍処理の温度が５７０℃を超えると、素材中の残留応力は低減されるものの、靱性も低下するため、製造工程や運転時において割れ等が生じ易くなる虞がある。
また、焼鈍処理における温度は、概ね５５０℃程度とすることが、上記効果がより安定的に得られる点から好適である。

また、上記温度条件で焼鈍処理を行なう時間としては、１〜１２ｈの範囲とすることが好ましく、４〜８ｈの範囲とすることがより好ましい。温度を上記範囲とし、さらに、処理時間を上記範囲として焼鈍処理を行なうことにより、上述のような、素材中における残留応力の低減と、靱性向上の両方の効果が安定的に得られる。また、上記温度条件で焼鈍処理を行なう時間としては、概ね４ｈ程度とすることがより好ましい。

また、本実施形態では、上記金属材料からなる素材が円板状素材であり、厚さ寸法が３００ｍｍ以下であることがより好ましい（図４中の回転機械部品用素材Ａを参照）。
本実施形態で説明する遠心圧縮機用のインペラ等のような、回転機械に用いられる回転機械部品は、通常、回転軸方向における厚さが概ね３００ｍｍ以下とされている。本実施形態では、まず、二相ステンレス鋼材料である鋳塊から、インペラ（回転機械部品）１に近似した寸法形状まで直接鍛造して素材形成した後、上記条件の溶体化処理を施すことにより、上述した溶体化（焼入れ）効果がより得られやすくなる。これにより、ぜい化相の析出が抑制されて靱性に優れ、厚肉且つ大径のインペラ（回転機械部品）を構成することが可能な回転機械部品用素材Ａを製造することができる。

従来、回転機械部品を製造する際は、鍛造や機械加工等で成形した薄肉の部材を、各々溶接で接合することで製造していた。このような場合には、薄板や小径棒状のブルームを素材として用いるため、素材の鍛造や熱処理段階において、ぜい化相が析出する可能性は低かった。一方、大径のインペラや、流路穴が加工される一体型のインペラにおいては厚肉の素材が必要となるが、このような場合、溶体化処理において厚肉素材の中心付近における冷却速度が遅くなるため、ぜい化相が析出してしまう。このため、回転機械部品の靱性が低下し、製造時や完成後の運転時に割れ等が発生する可能性があった。
本実施形態の製造方法では、まず、溶体化処理における平均冷却速度を、ぜい化相の析出を効果的に防止できる速度に規定している。そして、本実施形態では、上記平均冷却速度を規定したうえで、水冷等による焼入れ（溶体化処理における冷却）において上記平均冷却速度を満たすことが可能な肉厚として、素材の最大肉厚を３００ｍｍに制限することがより好ましい。このような素材を用いることにより、ぜい化相が析出せず、且つ、高い靱性を有するインペラ（回転機械部品）を製造することが可能となる。

またさらに、本実施形態では、図４に示す例のように、上記寸法並びに形状とされた円板状の素材Ａに対し、厚さ方向で貫通孔（ボス孔）Ｂを形成した後、上記条件の溶体化処理を施すことがさらに好ましい。このように、予め、円板状の素材Ａに貫通孔Ｂを形成することにより、図５のグラフに示すように、溶体化処理における冷却速度が向上するので、上述のような、ぜい化相析出の抑制効果がより安定的に得られる。なお、図５のグラフにおいては、貫通孔Ｂ有りの場合と貫通孔無しの場合の各々において２つの曲線を示しているが、これは、回転機械部品用素材の厚さ方向で測定位置を変えた場合について示すものである。

［インペラ（回転機械部品）の製造方法］
以下に、本実施形態のインペラ（回転機械部品）の製造方法について、上記同様に、遠心圧縮機１０に用いられるインペラ１を形成する場合を例に説明する。なお、以下の説明において、例えば各種熱処理条件等、上述した本実施形態の回転機械部品用素材の製造方法と共通する構成については、その詳しい説明を省略する。

本実施形態のインペラ（図１中のインペラ１及び図２のインペラ中間品１Ａを参照）の製造方法は、二相ステンレス鋼からなる素材に、少なくとも溶体化処理を施した後、機械加工並びに必要に応じて溶接処理を施す方法であり、前記溶体化処理は、素材を９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱した後、この温度から７００℃迄の平均冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上として冷却する方法である。

本実施形態のインペラの製造方法における溶体化処理は、上述した回転機械部品用素材の製造方法と同様の条件としている。本実施形態では、上記同様の条件で素材に溶体化処理を施した後、所定の加工処理、例えば、機械加工、塑性加工又は溶接処理等を適宜施してインペラ１を形成する方法とすることで、素材に４７５℃ぜい性やσぜい性等のぜい化相が析出するのが抑制され、高い靱性を備えるインペラ１を製造することができる。また、本実施形態においては、溶体化処理における平均冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上とすることがより好ましい。

また、本実施形態では、溶体化処理後の素材に対して上述のような所定の加工処理を施した後、さらに、上述した回転機械部品用素材の製造方法と同様の条件である、５３０〜５７０℃の範囲の温度で焼鈍処理を施すことがより好ましい。また、上記温度による焼鈍処理の時間を１〜１２ｈの範囲とすることがさらに好ましい。
このような方法とすることにより、インペラ１をなす素材内部の残留応力が低減され、且つ、高い靱性を有するインペラ１を製造することが可能となる。

またさらに、本実施形態では、上述した回転機械部品用素材の製造方法と同様、素材を円板状素材とし、その厚さ寸法を３００ｍｍ以下とすることがより好ましい。本実施形態では、金属材料の鋳塊から、途中冷却を行なわずに、直接、インペラ１の形状に近い円板状まで鍛造処理して厚さ方向の寸法が最大３００ｍｍの素材とした後、溶体化処理や各種加工処理を施して回転機械部品を製造する方法なので、径方向の形状が制約されること無くインペラ形状を形成することが可能となる。また、本実施形態によれば、上記同様、溶体化処理における冷却速度や温度分布にばらつきが無く、ぜい化相の析出が抑制されて優れた靱性を備えたインペラ（回転機械部品）１を製造することが可能となる。

またさらに、本実施形態では、上記同様、図４に示す例のように、円板状の素材Ａに厚さ方向で貫通孔Ｂを形成した後、上記条件の溶体化処理を施すことがより好ましい。このような方法とすることにより、上記同様、溶体化処理における冷却速度が向上するので、上述のような、ぜい化相析出の抑制効果がより安定的に得られる。

本実施形態のインペラ１の製造方法においては、上述のような工程により、二相ステンレス鋼からなる素材に対し、各種熱処理の他、機械加工、塑性加工又は溶接処理等の加工処理を施すことで粗加工し、図２に示すようなインペラ中間品１Ａを製造することができる。
そして、本発明に係る製造方法においては、上記方法で得られるインペラ中間品１Ａの超音波探傷試験（ＵＴ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔ）、並びに、磁気探傷試験（ＭＴ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｅｓｔ）を行なう。そして、インペラ中間品１Ａに対し、さらに、ガス流路放電加工及び仕上げ研磨を行った後に外周加工を施すことで、図１中に示すようなインペラ１を形成する。そして、このインペラ１に対して、再度、上述のような磁気探傷試験（ＭＴ）を行なった後、最終試験としてバランススピンテストを行なう。本発明に係る製造方法においては、インペラ中間品１Ａに対して行なう上記各工程及び試験については、従来公知の方法を採用することが可能である。

以上、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品、回転機械並びに遠心圧縮機の実施形態について、図面を参照して詳述したが、本発明における具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

また、本実施形態では、回転機械部品用素材及び回転機械部品として、上述のような遠心圧縮機用のインペラを例に説明するとともに、回転機械として遠心圧縮機を説明しているが、本発明はこれらには限定されない。例えば、各種コンプレッサポンプに備えられるインペラやロータ等においても、本発明を適用することが可能である。

以上説明したように、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法によれば、ぜい化相の析出を抑制し、高い靱性を備える回転機械部品用素材及びそれを用いてなる回転機械部品を製造することが可能となる。またさらに、上記製造方法によって焼鈍処理を施した場合には、素材の残留応力が低減され、且つ、高い靱性を有する回転機械部品用素材及びそれを用いてなる回転機械部品を製造することが可能となる。
また、本発明の回転機械並びに遠心圧縮機によれば、上記製造方法によって得られる回転機械部品、インペラが用いられたものなので、腐食成分によって生じる腐食や応力腐食割れが抑制され、機械運転時における割れ等の発生を防止することができる。

以下、実施例を示して、本発明の回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法、回転機械部品用素材、回転機械部品を更に詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものでは無い。

［回転機械部品用素材（回転機械部品）のサンプル製造］
（実施例１）
実施例１では、まず、二相ステンレス鋼としてＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当材（何れも大同特殊鋼株式会社製）を準備し、この鋳塊に対して各々鍛造処理を施し、直径が３００ｍｍの丸棒状のブルームを製造した。そして、このブルームに対し、溶体化処理として、まず、１０５０℃の温度に加熱した後、１０５０℃から７００℃迄の平均冷却速度を、３０℃／ｍｉｎ以上となる３１℃／ｍｉｎで水冷することにより、回転機械部品用素材のサンプルを製造した。

（実施例２）
実施例２では、まず、上記実施例１と同様に、二相ステンレス鋼としてＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当材（何れも大同特殊鋼株式会社製）を準備し、この鋳塊に対して各々鍛造処理を施して、厚さ寸法が３００ｍｍの円板状素材からなる回転機械部品用素材のサンプルを製造した。

（実施例３）
実施例３では、まず、二相ステンレス鋼としてＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当材（大同特殊鋼株式会社製）を準備し、この鋳塊に対して鍛造処理を施して、直径が３００ｍｍの丸棒状のブルームを製造した。そして、上記実施例１と同様、このブルームに対し、溶体化処理として、まず、１０５０℃の温度に加熱した後、１０５０℃から７００℃迄の平均冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上となる３１℃／ｍｉｎで水冷した。次いで、このブルームを５５０℃の温度で４時間保持することにより、応力除去のための焼鈍処理を行なうことにより、回転機械部品用素材のサンプルを製造した。

（実施例４）
実施例４では、まず、二相ステンレス鋼としてＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当材（大同特殊鋼株式会社製）を準備し、この鋳塊に対して鍛造処理を施して、厚さ寸法が３００ｍｍの円板状素材を製造した。そして、上記実施例１と同様、このブルームに対し、溶体化処理として、まず、１０５０℃の温度に加熱した後、１０５０℃から７００℃の迄の平均冷却速度を３０℃／ｍｉｎ以上となる３１℃／ｍｉｎで水冷した。次いで、各種機械加工並びに溶接による粗加工を施すことにより、図２に示すようなインペラ中間品を形成した。そして、このインペラ中間品を、５５０℃の温度で４時間保持することにより、応力除去のための焼鈍処理を行なうことにより、インペラ（回転機械部品）を製造した。

（実験例１〜４）
実験例１〜４では、まず、上記各実施例と同様に、二相ステンレス鋼としてＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ相当材を準備し、この鋳塊に対して鍛造処理を施して、直径が３００ｍｍの丸棒状のブルームを製造した。そして、このブルームに対し、溶体化処理として、まず、１０５０℃の温度に加熱した後、１０５０℃から７００℃の迄の平均冷却速度を、各々、２０℃／ｍｉｎ、２５℃／ｍｉｎ、及び、１０℃／ｍｉｎ、１５℃／ｍｉｎ、として水冷することにより、各実験例の回転機械部品用素材のサンプルを製造した。

［評価試験項目］
上記手順によって作製した実施例１〜４及び実験例１〜４のサンプルについて、適宜、以下に説明するような残留応力、σ相面積率、靱性の評価試験を行った。

（残留応力の評価）
残留応力は、Ｘ線装置を用いたＸ線回折により、各実施例及び実験例のサンプルに残留した応力を解析することによって評価した。

（金属組織の評価：σ相面積率）
σ相面積率は、光学顕微鏡によるミクロ組織観察及び画像解析によって調査した。

（靱性の評価：シャルピー衝撃値）
靱性を表す指標として、以下に説明するようなシャルピー衝撃試験を行った。まず、２ｍｍＶノッチのシャルピー試験片をサンプルから採取した。そして、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の方法に準じ、試験温度を室温（２３℃）として吸収エネルギーを測定し、吸収エネルギーをノッチ底の断面積で除して衝撃値［Ｊ／ｃｍ^２］を求めた。

［評価結果］
上記評価試験の結果、各実施例の回転機械部品用素材並びにインペラ（回転機械部品）のサンプルは、以下に説明するように、それぞれ、残留応力が低減され、また、靱性に優れていることが確認された。
実施例１においては、ぜい化相析出を確実に抑制できる本発明の溶体化処理の規定を適用し、また、素材径を、上記規定を満たす最大の素材肉厚である３００ｍｍとした。これにより、図６及び図７のグラフに示すように、ぜい化相が低減され、靱性の高い回転機械部品用素材が得られた。このような回転機械部品用素材を用いることにより、靱性に優れたインペラ等の回転機械部品を製造できることが明らかである。

また、実施例２においては、鋳塊から途中冷却せずに、直接、インペラ等の回転機械部品形状に近い円板まで鍛造する方法であるため、靱性に優れるとともに、部品外径を制約することのない素材が得られることが明らかである。

実施例３においては、上記溶体化処理に加え、さらに、適性温度による焼鈍処理を施していることから、焼鈍前後の素材の残留応力および組織形態を調査したところ、溶体化処理の時点で存在した外面圧縮や内面引張による残留応力がほぼ０（ゼロ）まで低減した。また、焼鈍処理後のぜい化相の析出も、４７５℃ぜい化相及びσぜい化相の何れも無いことが確認でき、図８のグラフに示すように、焼鈍後のシャルピー衝撃値が約２５０（Ｊ／ｃｍ^２）と優れた靱性を示した。

実施例４においては、実施例３と同様、上記溶体化処理に加え、さらに、適性温度による焼鈍処理を施していることから、焼鈍前後の素材の残留応力および組織形態を調査し、溶接時に存在した外面圧縮や内面引張による残留応力がほぼ０（ゼロ）まで低減した。また、焼鈍処理後のぜい化相の析出も、４７５℃ぜい化相及びσぜい化相の何れも無いことが確認できた。

また、実験例１〜４のサンプルは、溶体化処理における平均冷却速度を変化させた例であり、これらの内、実験例１、２は、平均冷却速度がそれぞれ２０℃／ｍｉｎ、２５℃／ｍｉｎとされた本発明の規定を満たす本発明例データであり、実験例３、４は、平均冷却速度がそれぞれ１０℃／ｍｉｎ、１５℃／ｍｉｎとされた従来例データである。ここで、図６のグラフに示すように、溶体化処理における平均冷却速度が本発明の規定を満たす実験例１、２のサンプルは、何れもσぜい化相の面積率が０．１０％以下と低く抑えられた組織となり、靱性に優れたものであることが確認できた。これに対し、溶体化処理における平均冷却速度が本発明の規定範囲外である実験例３、４のサンプルは、実験例１、２に比べてσ相面積率が大きい結果となり、靱性に劣るものであることが確認された。

ここで、図７のグラフは、同じＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌであっても成分の異なるＳＵＳ３２９Ｊ１、Ｊ３Ｌ及びＪ４ＬのＰ．Ｉ値（耐孔食性指数、ＰＩ＝Ｃｒ＋３．３Ｍｏ＋１６Ｎ％）と、ぜい化防止のため必要な冷却速度の最小値並びに最大肉厚との関係を示すグラフである。図７に示すように、ＳＵＳ３２９Ｊ１はぜい化が生じにくく、冷却速度が１０℃／分以上ならぜい化しないが、ＳＵＳ３２９Ｊ３Ｌ及びＪ４Ｌは２０℃／分以上、より好ましくは３０℃／分以上で冷却する必要があることがわかる。

以上説明した各評価試験の結果により、本発明に係る回転機械部品用素材の製造方法及び回転機械部品の製造方法によって得られる回転機械部品用素材及び回転機械部品が、低い残留応力と高い靱性とが両立できることが明らかである。また、この回転機械部品が用いられる回転機械並びに遠心圧縮機が、腐食成分が含まれた流体が供給された場合であっても、腐食や応力腐食割れが生じるのが抑制できることが明らかである。

１…インペラ（回転機械部品）、１０…遠心圧縮機、Ａ…回転機械部品用素材、Ｂ…貫通孔

Claims (13)

1. 二相ステンレス鋼からなる素材に、少なくとも溶体化処理を施して回転機械部品用素材を製造する方法であって、
   前記素材は、最大肉厚が３００ｍｍ以下の円板状素材であり、
   前記円板状の素材に厚さ方向で貫通孔を形成した後、前記溶体化処理として、前記素材を９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱した後、この温度から７００℃迄の平均冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上として冷却することを特徴とする回転機械部品用素材の製造方法。
2. 前記溶体化処理における平均冷却速度が３０℃／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械部品用素材の製造方法。
3. 前記素材に対して前記溶体化処理、機械加工を施した後、さらに、５３０〜５７０℃の範囲の温度で焼鈍処理を施すことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転機械部品用素材の製造方法。
4. 前記焼鈍処理の時間を１〜１２ｈの範囲とすることを特徴とする請求項３に記載の回転機械部品用素材の製造方法。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の製造方法によって製造されることを特徴とする回転機械部品用素材。
6. 請求項５に記載の回転機械部品用素材に、所定の加工処理を施すことによって得られることを特徴とする回転機械部品。
7. 二相ステンレス鋼からなる素材に、少なくとも溶体化処理を施した後、所定の加工処理を施して回転機械部品を製造する方法であって、
   前記素材は、最大肉厚が３００ｍｍ以下の円板状素材であり、
   前記円板状の素材に厚さ方向で貫通孔を形成した後、前記溶体化処理として、前記素材を９５０〜１１００℃の範囲の温度に加熱した後、この温度から７００℃迄の平均冷却速度を２０℃／ｍｉｎ以上として冷却することを特徴とする回転機械部品の製造方法。
8. 前記溶体化処理における平均冷却速度が３０℃／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項７に記載の回転機械部品の製造方法。
9. 前記素材に対して所定の加工処理を施した後、さらに、５３０〜５７０℃の範囲の温度で焼鈍処理を施すことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の回転機械部品の製造方法。
10. 前記焼鈍処理の時間を１〜１２ｈの範囲とすることを特徴とする請求項９に記載の回転機械部品の製造方法。
11. 請求項７〜請求項１０の何れか１項に記載の製造方法によって製造されることを特徴とする回転機械部品。
12. 請求項６又は請求項１１に記載の回転機械部品が備えられてなることを特徴とする回転機械。
13. 請求項６又は請求項１１に記載の回転機械部品がインペラであり、該インペラが備えられてなることを特徴とする遠心圧縮機。

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