JP5713250B2 - 耐熱性精密部品 - Google Patents
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Description
しかし、Ni基合金の物理的性質上、熱膨張係数についてはフェライト系高Cr鋼の値以下に抑えることは不可能であるのみならず、むしろ、耐熱性のさらなる向上は熱膨張率を大きくする傾向にある。
その結果、600℃を越える高温下での使用に耐える耐熱性精密部品を実現することは極めて困難とされていた。
発明1の耐熱性精密部品は、質量%で、 C:0.001〜0.1%、
Cr:13.0〜30.0%、
Mo:0.5〜5.0%、
W:0.5〜10.0%かつMo+0.5W≧3.0%以上、
V:0.05〜0.40%、
Nb:0.01〜0.10%、
Co:0.1〜10.0%、
N:0.001〜0.1%、
Ni:0.1〜2.5%かつCあるいはNの添加量が0.01質量%以上である場合にNi>10(C+N)、
B:0.002〜0.004%
を含有すると共に、Feおよび不可避的不純物からなり、フェライト相が70体積%以上を占めると共に、金属間化合物や炭化物および窒化物の1種以上の析出によって強化されているフェライト系高Cr鋼からなる耐熱性精密部品であって、
室温から800℃までの温度範囲の熱膨張係数が15×10−6/℃以下、
700℃、100MPaでの最小クリープ速度が1×10−4/h以下、
750℃、応力80MPaでのクリープ破断時間が1000hr以上、
750℃、応力50MPaでのクリープ破断時間が5000hr以上、
750℃、応力30MPaでのクリープ破断時間が10000hr以上、
であって、650℃を超え750℃までの温度範囲で使用されるタービン用鋼製部品に使用されることを特徴とする。
この出願の発明によって、650℃(50℃単位、以下同じ)を越える高温でも優れた高温強度、耐熱性、耐酸化性、高靭性を有し、高温高圧下での長期間使用においても強度の低下が抑制できるタービン用鋼製部品が提供できる。
鋼塊の成形時の、熱間加工時の温度は900〜1200℃とし、好ましくは950〜1150℃、より好ましくは1000〜1100℃とする。
この温度範囲を超えると延性の急激な低下が生じる恐れがあり、この温度範囲未満であると変形抵抗が増大して、加工により割れ等の欠陥が生じる危険性がある。
焼きなまし熱処理は、1000〜1250℃とし、好ましくは1000〜1200℃、より好ましくは1050〜1150℃とする。
この範囲を超えると、結晶粒が著しく粗大化してしまい、材料の靭性、延性、溶接性等を損ねる恐れがある。
この範囲未満では、完全に溶体化することができず、十分な強度特性を発揮できなくなる恐れがある。
さらに、400℃以上の温度では、炭化物、窒化物、金属間化合物等の第二相が析出する速度が大きいため、焼きなまし温度からの冷却中にこれら第二相が析出するのを抑制するため、焼きなまし後の400℃以下までの冷却速度は、100℃/min以上、好ましくは120℃/min以上、より好ましくは150℃/minとする。
この範囲未満では、焼きなまし温度からの冷却中に炭化物、窒化物、金属間化合物等の第二相が析出してしまい、強度向上に有効な第二相の析出状態を制御できず、十分な強度を発現することができなくなる恐れがある。
700℃、応力100MPaでの最小クリープ速度が、1.0×10−4h−1以下、より好ましくは、1.0×10−5h−1以下である。
これ以上であると運転中に発生する荷重によるクリープ変形量が大きく、タービン回転体である動翼(ブレード)と静置部品である静翼(ベーン)や容器(ケーシング)が接触し、損傷等の不具合を発生させてしまう。
750℃、応力80MPaでのクリープ破断時間が、1,000hr以上
750℃、応力50MPaでのクリープ破断時間が、5,000hr以上
750℃、応力30MPaでのクリープ破断時間が、10,000hr以上 これ未満の破断時間であると、運転中に発生する荷重によるクリープ破断寿命が短く、実用上十分なクリープ破断寿命を確保することができない。
C:1×10−3〜1×10−1%
クリープ強度向上のために、1×10−3%以上の添加が必要である。また、過剰添加は靭性を低下させるため、上限は1×10−1%とするとともに、1×10−2%以上添加する場合は、Ni>10(C+N)を満足する必要がある。
Cr:13〜30%
Crは13%以上であることが欠かせないが、実際的にはフェライト相を70体積%以上確保するとともに、耐酸化性向上のために13.5%以上が好ましい。また、30%以上では靭性の低下が著しいため、上限を30%とする。
N:1×10−3〜1×10−1%
クリープ強度向上のために、1×10−3%以上の添加が必要である。また、過剰添加は靭性を低下させるため、上限は1×10−1%とするとともに、1×10−2%以上添加する場合は、Ni>10(C+N)を満足する必要がある。
Ni:1×10−1〜2.5%
靭性向上のために1×10−1%以上の添加が好ましい。とくに、CあるいはNの添加量が1×10−2 質量%以上である場合は、靭性確保のため、Ni>10(C+N)の添加が必要である。また、過剰添加はフェライト相の体積率を低下させるため、上限は2.5%とする。表2から明らかなように、Niの添加量がNi>10(C+N)未満の比較鋼6〜9は、冷却速度の違いによらずシャルピー衝撃値は小さいが、本発明鋼の水冷材は高いシャルピー衝撃値を示す。
フェライト相が70体積%以上を占める、焼き戻しマルテンサイト組織は、高温で不安定である。これに対してフェライト相は高温での組織安定性が高い。そのため、クリープ強度向上のためにフェライト相が70体積%以上含有されていることが望ましい。表2から明らかなように、本発明鋼3〜5を炉冷するとフェライト相の体積率は70%未満となるが、水冷によりフェライト相の体積率は70%以上となり、図1から明らかなように、本発明鋼3〜5の水冷材は炉冷材よりも約10倍の長いクリープ破断時間を示す。また図2から明らかなように、クロム量が13質量%未満で、フェライト相の体積率が70%未満の比較鋼10〜16に対して、本発明鋼の方が長いクリープ破断時間を示す。
金属間化合物や炭化物および窒化物の1種以上の析出によって強化されている。クリープ強度を高めるためには、金属間化合物や炭化物および窒化物の1種以上を析出させることが有効である。図3から明らかなように、本発明鋼1はW添加量が多く、金属間化合物の析出量が多いため、W添加量が少ない比較鋼6よりも約100倍の長いクリープ破断時間を示す。
Mo:5×10−1〜5%
クリープ強度を高めるために必要な金属間化合物を析出させるために、5×10−1%以上含有するのが好ましい。また、過剰添加は靭性を低下させるため、上限は5%とする。
W:5×10−1〜1×10%
クリープ強度を高めるために必要な金属間化合物を析出させるために、5×10−1%以上含有するのが好ましい。また、過剰添加は靭性を低下させるため、上限は1×10%とする。
V:5×10−2〜4×10−1%
クリープ強度向上に有効な炭化物、窒化物を形成させるために、5×10−2%以上含有するのが好ましい。また、過剰添加は炭化物、窒化物の形成に有効ではないので、上限は4×10−1%とする。
Nb:1×10−2〜1×10−1%
クリープ強度向上に有効な炭化物、窒化物を形成させるために、1×10−2%以上含有するのが好ましい。また、過剰添加は炭化物、窒化物の形成に有効ではないので、上限は1×10−1%とする。
Co:1×10−1〜1×10%
炭化物、窒化物及び金属間化合物などの析出物を微細化し、クリープ強度向上に有効なため、1×10−1%以上含有するのが好ましい。また、過剰添加はフェライト相の体積率を低下させるため、上限は1×10%とする。
B:2×10−3〜4×10−3%
析出物を微細化かつ安定化させるとともに、粒界強化に有効なため、2×10−3%以上含有するのが好ましい。また、過剰添加は窒化ボロンを生成してしまい、クリープ強度の向上に有効ではないので、上限は4×10−3%とする。
又さらに、上記成分に加え、以下のものを含有させることが望ましい。
クリープ強度を高めるために必要な金属間化合物の析出量を十分に確保するため、MoおよびWをそれぞれ5×10−1 質量%以上含有し、Mo+0.5W≧3.0質量%以上含有する。図3から明らかなように、Mo+0.5Wが3質量%以上の本発明鋼1は、Mo+0.5Wが3.0質量%未満の比較鋼6に比べて約100倍のクリープ破断時間を示している。
以下の実施例では、丸棒を持って部品と仮定して、各種特性を測定したが、各部品形状に成形された後のものであっても、丸棒の測定結果をもって容易に予測できるものである。
表1に示されている1〜9の組成の材料について、それぞれ10kgの鋼塊を作製し、熱間鍛造により直径15mmの丸棒に成形して、1,200℃で焼きなまし熱処理後、それぞれを、炉冷及び水冷により冷却した。また、表1に示されている10〜16の組成の材料は既存のフェライト系耐熱鋼であり、比較鋼として用いた。
表3は図1を作成した測定データである。
冷却速度の要求条件:
1×103℃以上で焼きなまし熱処理をした後、金属間化合物や炭化物および窒化物等が実質的に析出しない低温度である400℃になるまで、その析出が生じない高速度、具体的には1×102℃/min以上で冷却する。
表4は図2を作成した測定データである。
図3は650℃でのクリープ試験結果を例示した図である。Mo+0.5Wが3質量%以上の本発明鋼1は、Mo+0.5Wが3.0質量%未満の比較鋼6に比べて約100倍のクリープ破断時間を示すことがわかる。
表5は図3を作成した測定データである。
表7は図5を作成した測定データである。
表8は図6を作成した測定データである。
本発明鋼を1000℃/hの速度で室温から1000℃まで昇温し、試験片の熱膨張を測定することにより、各温度における本発明鋼の線膨張係数を求めた。実用耐熱材料の線膨張係数は、米国機械学会(ASME)ボイラ圧力容器規格に規定されている値である。
表9は図7を作成した測定データである。
Claims (2)
- 質量%で、 C:0.001〜0.1%、
Cr:13.0〜30.0%、
Mo:0.5〜5.0%、
W:0.5〜10.0%かつMo+0.5W≧3.0%以上、
V:0.05〜0.40%、
Nb:0.01〜0.10%、
Co:0.1〜10.0%、
N:0.001〜0.1%、
Ni:0.1〜2.5%かつCあるいはNの添加量が0.01質量%以上である場合にNi>10(C+N)、
B:0.002〜0.004%
を含有すると共に、Feおよび不可避的不純物からなり、フェライト相が70体積%以上を占めると共に、金属間化合物や炭化物および窒化物の1種以上の析出によって強化されているフェライト系高Cr鋼からなる耐熱性精密部品であって、
室温から800℃までの温度範囲の熱膨張係数が15×10−6/℃以下、
700℃、100MPaでの最小クリープ速度が1×10−4/h以下、
750℃、応力80MPaでのクリープ破断時間が1000hr以上、
750℃、応力50MPaでのクリープ破断時間が5000hr以上、
750℃、応力30MPaでのクリープ破断時間が10000hr以上、
であって、650℃を超え750℃までの温度範囲で使用されるタービン用鋼製部品に使用されることを特徴とする耐熱性精密部品。
- 請求項1に記載の耐熱性精密部品の製造方法であって、前記フェライト系高Cr鋼を所定の部品形状に熱間加工を行い、1000℃以上で焼きなまし熱処理をした後、100℃/min以上の急冷にて400℃以下に冷却することを特徴とする耐熱性精密部品の製造方法。
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