JP5759304B2 - ＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部およびその製造方法 - Google Patents

ＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部およびその製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受が接触する面にＣｒ含有鋼の肉盛を形成する多層肉盛に関するものである。
高Ｃｒ鋼は高温強度、低温靭性が優れているため、発電機の高圧、中圧タービンロータ素材として使用が拡大されている。しかし、高Ｃｒ鋼製のタービンロータの軸受との接触面は使用中に軸受で焼付きを起こし易く、損傷を招く恐れがある。そのため、従来はロータの軸受部に低合金鋼を肉盛溶接して焼付けの発生を防止する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
従来この種の肉盛溶接は主にサブマージアーク溶接用の溶接材料や溶接方法が開発されている。
例えば、特許文献２はタービンロータのジャーナル部に適用する溶接材料を提案したものであり、溶接残留応力を考慮して初層溶接材料は上盛層の低合金鋼とロータ基材よりも低強度でかつ線膨張係数の大きい溶接材料を用いたものである。
特許文献３では疲労強度の増加を目的に強度段差の軽減を図っている。
特許文献４では初層にＣｒ量の高い溶接材料を使用し、疲労強度向上を図ることを目的としている。
特開昭５７−１３７４５６号公報 特開平６−２７２５０３号公報 特開平９−７６０９１号公報 特開平９−０６６３８８号公報
しかし、特許文献２で初層溶接材料に使用している溶接材料にはＣｒが含まれていないため、上盛層の強度によっては、応力除去焼鈍時にスラスト部などの形状不連続部においては初層にひずみの集積が発生し、場合によっては割れなどの欠陥が発生する可能性がある。
また、特許文献３で規定されている初層Ｃｒ量１．０％の溶接材料による施工では溶接部Ｃｒ含有量が低くなる恐れがあり、さらに溶接後の応力除去焼鈍時には母材と溶接金属とのＣｒ量の差に起因してＣなどの拡散が生じ、溶接金属側の強度が低下する恐れがある。
この様に、従来の技術では、ロータ基材と接する溶接材料のＣｒ含有量が低く、かつロータ基材、初層、上盛層の強度バランスを考慮していないため、溶接による残留応力が高く、形状に起因して応力集中の生じ易いスラスト部などの形状不連続部において、欠陥の発生の恐れがある。特許文献４では初層にＣｒ量の高い溶接材料を使用しているが、ロータ母材の成分によっては溶接による成分希釈により応力除去焼鈍割れ感受性が高まることが予想される。
そこで、本発明は高Ｃｒ鋼製タービンロータ軸受部に求められる強度や靭性を満足し、かつ応力除去焼鈍時の割れを回避するための肉盛溶接部を提供することを目的とする。
すなわち、本発明のＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部のうち、第１の本発明は、高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受接触面に形成された多層肉盛溶接部のうち、初層溶接部が、
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．５％、
Ｃｒ：４．０〜６．７％、
Ｍｏ：０．５〜１．５％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、質量％で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｃｏ：１．５％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｗ：１．５％以下、Ｎｂ：０．０７％以下に規制された組成を有し、
前記初層溶接部上に形成された上盛層溶接部が、
質量％で、
Ｃ：０．０５〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．５％、
Ｃｒ：１．０〜４．０％、
Ｍｏ：０．５〜１．５％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１５％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．０７％以下に規制された組成を有することを特徴とする。
第２の本発明の高Ｃｒ鋼製タービンロータの初層溶接部は、前記第１の本発明において、次の式（１）を満足することを特徴とする。
Ｐｃｒ（１）＝（初層溶接部中のＣｒ量）×０．６５−（高Ｃｒ鋼製タービンロータのＣｒ量−初層溶接部中のＣｒ量）×０．３５＞０．７ …（１）
第３の本発明のＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部は、前記第１または第２の本発明において、前記上盛層溶接部中の前記Ｖ量が、前記初層溶接部の不可避不純物中に含まれるＶ量よりも低く、かつ質量％で０．１５％以下であることを特徴とする。
第４の本発明のＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記上盛層溶接部が、次の式（２）を満足することを特徴とする。
Ｐｃｒ（ｎ）＝（ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量）×０．６５−｛（ｎ−１）層目上盛層溶接部中のＣｒ量−ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量｝×０．３５＞０．７ …（２）
ただし、多層肉盛溶接部がＮ層で構成されている場合、２≦ｎ≦Ｎである。
第５の本発明のＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部の製造方法は、高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受接触面に、
質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．２％、
Ｃｒ：２．０〜５．５％、
Ｍｏ：０．１〜１．５％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１％以下に規制し、さらにＮｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総和で０．２％以下に規制した組成を有する初層溶接部用溶接材料によって前記第１の発明の組成が得られる初層溶接部をＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接により形成し、
前記初層溶接部の上層に、
質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜３．０％、
Ｃｒ：１．０〜２．５％、
Ｍｏ：０．１〜１．５％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１％以下に規制し、さらにＮｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総和で０．２％以下に規制した組成を有する上盛層溶接部用溶接材料によって前記第１の発明の組成が得られる上盛層をＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接により形成することを特徴とする。
以下に、本発明における初層溶接部の成分を規定した理由について説明する。なお、以下における含有量はいずれも質量％で示される。
Ｃ：０．０５〜０．２％
溶接部の引張強度を確保するという観点からはＣは必要な添加元素であるため０．０５％を下限とする。しかし、０．２％を超える含有は衝撃値を下げること、溶接割れ感受性が高くなることから、０．２％を上限とする。
Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、脱酸剤として、あるいは強度確保のために必要な元素であるため０．１％を下限とする。しかし、過剰な含有は応力除去焼鈍割れ等の割れを助長し、また靭性の低下を招くので１．０％を上限とする。なお、同様の理由で下限を０．２５％、上限を０．７％とするのが望ましい。
Ｍｎ：０．３〜１．５％
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として、あるいは強度確保のために必要な元素であるため０．３％を下限とする。しかし、過剰な含有は靭性の低下を招くので１．５％を上限とする。なお、同様の理由で上限を１．２％とするのが望ましく、さらに上限を１．０％とするのが一層望ましい。
Ｃｒ：４．０〜６．７％
Ｃｒは強度と靭性を確保する上で重要な元素であり、初層へのひずみの集中を抑えかつ母材とのＣｒ差を抑えフェライトの生成を防ぐため、４．０％を下限とする。しかし、過剰の含有は焼入れ性を高め、溶接割れ感受性が高くなることから、６．７％を上限とする。
Ｍｏ：０．５〜１．５％
Ｍｏは応力除去焼鈍中に炭化物として析出し、焼戻し軟化抵抗を高めるため、応力除去焼鈍後の強度を得る上で重要な元素であり、応力除去焼鈍時のひずみの集中を抑制するために０．５％を下限とする。しかし、過剰な含有は割れ性を高め、また靭性の低下を招くため１．５％を上限とする。なお、同様の理由で上限を１．０％とするのが望ましい。
初層溶接部の必須構成元素は上記の通りである。また、残部は実質的にＦｅおよび母材からの希釈などによる不可避不純物として、質量％で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｃｏ：１．５％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｗ：１．５％以下、Ｎｂ：０．０７％以下を含み得る。以下、その理由を説明する。
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素であり、靱性を低下させる可能性があるので、可能な限り低減することが望ましい。したがって、Ｐの含有量は０．０１５％以下とする。
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓも金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素であり、靱性を低下させる可能性があるので、可能な限り低減することが望ましい。したがって、Ｓの含有量は０．０１５％以下とする。
Ｃｕ：０．２％以下
Ｃｕは溶接部の靭性を低下させる可能性があり、上限を０．２％以下とする。
Ｖ：０．２％以下
Ｖは焼戻し軟化抵抗性を上げ、応力除去焼鈍後の強度を得るための元素であるが、応力除去焼鈍割れ感受性を極端に上昇させるため、０．２％を上限とする。なお、同様の理由で上限を０．１％とするのが望ましい。
Ｎｉ：０．３％以下
Ｎｉの過度の含有は焼戻し脆化を起こす可能性があり、０．３％を上限とする。
Ｃｏ：１．５％以下
母材にＣｏが含まれる場合、母材からの希釈／融合による上昇分に留め、Ｃｏの上限を１．５％とする。
Ｂ：０．００５％以下
Ｗ：１．５％以下
Ｎｂ：０．０７％以下
これら成分は、一般に応力除去焼鈍時の焼戻し軟化抵抗性を向上させ、室温強度を確保する元素であるが、過度に含有すると靭性が低下し、また溶接性も劣化する可能性があるので、本発明では上限をそれぞれ上記に定める。
Ｐｃｒ（１）＝（初層溶接部中のＣｒ量）×０．６５−（高Ｃｒ鋼製タービンロータのＣｒ量−初層溶接部中のＣｒ量）×０．３５＞０．７ …（１）
初層溶接部のＣｒ含有量が多く、かつ高Ｃｒ鋼製タービンロータのＣｒ量との差が小さいほど応力除去焼鈍時のフェライト生成が抑制される。以上のことより、上記Ｐｃｒ（１）値を０．７を超える値にすることで、母材−初層溶接部境界のフェライト生成が抑制される。なお、上記式中のＣｒ量はいずれも質量％で示される。
初層溶接部用溶接材料の説明
上記初層溶接部を得る溶接材料は、母材上に肉盛溶接した際に母材との間で成分の希釈が生じ、また、上層に溶接される上盛層による成分の希釈も生じる。成分の希釈は、隣接する層同士が溶接に際し一部が融合し、成分濃度が濃い層から成分濃度の低い層に成分が移動することによって生じる。なお、母材には一般的に火力発電用タービンロータに使用される高Ｃｒ鋼、特に１２Ｃｒ鋼が想定される。更に、その中で、Ｗ、Ｃｏ、Ｂが添加されている新１２Ｃｒ鋼と呼ばれるものが想定される。
初層溶接部用溶接材料は、これらを考慮して、上記初層溶接部組成を得るために規定されるものである。これにより上記初層溶接部の作用効果を発揮することが出来る。
この溶接材料を高Ｃｒロータ基材における肉盛初層として使用することにより、母材と肉盛初層間、あるいはそれ以降の肉盛層における強度段差を実用上問題のない程度に抑え、初層での応力除去焼鈍割れを抑えることが出来る。かつ、母材と初層溶接金属とのＣｒ含有量差を抑えることにより、フェライトの生成を抑制することができる。
具体的には、初層溶接部用溶接材料は、
質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜１．２％、
Ｃｒ：２．０〜５．５％、
Ｍｏ：０．１〜１．５％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１％以下、Ｎｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上の総和が０．２％以下からなる組成を有するのが望ましい。
以下、各成分について具体的に説明する。
Ｃ：０．０３〜０．２％
本発明で規定する初層溶接部のＣ含有量の範囲は０．０５〜０．２％であり、母材成分は前記初層溶接部のＣ含有量範囲の上限を超える場合がある。母材成分との希釈／融合を考慮すると、初層溶接部の成分範囲を得るためには、溶接材料におけるＣ含有量の下限を０．０３％、上限は溶接作業性等を考慮し０．２％とするのが望ましい。
Ｓｉ：０．１〜１．０％
本発明で規定する初層溶接部のＳｉ含有量の範囲は０．１〜１．０％であり、母材成分との希釈／融合を考慮すると、初層溶接部の成分範囲を得るためには、溶接材料におけるＳｉ含有量は０．１〜１．０％の範囲とするのが望ましい。
Ｍｎ：０．３〜１．２％
本発明で規定する初層溶接部のＭｎ含有量の範囲は０．３〜１．５％であり、母材成分は前記初層溶接部のＭｎ含有量範囲の上限を超える場合がある。母材成分との希釈／融合を考慮すると、溶接材料におけるＭｎ含有量の下限は脱酸材としての効果を確保するために０．３％、上限は初層溶接部の成分範囲上限を超えないように１．２％が望ましい。
Ｃｒ：２．０〜５．５％
本発明で規定する初層溶接部のＣｒ含有量の範囲は４．０〜６．７％であり、Ｃｒ含有量が高い母材成分との希釈／融合を考慮すると、初層溶接部の成分範囲を得るためには、溶接材料におけるＣｒ含有量は２．０〜５．５％の範囲が望ましい。
Ｍｏ：０．１〜１．５％
本発明で規定する初層溶接部のＭｏ含有量範囲は０．５〜１．５％であり、母材成分との希釈／融合を考慮すると、初層溶接部の成分範囲を得るためには溶接材料におけるＭｏ含有量は０．５〜１．５％の範囲が望ましい。
不純物：Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｖ、Ｎｉ，Ｎｂ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｂ
本発明で規定する初層溶接部の不純物として、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下が許容されている。これらは、溶接部、母材を含めて、機械的性質や溶接性を悪化させる成分であり、初層用溶接材料においても初層溶接部と同じ成分範囲が望ましい。
Ｖ：０．１％以下
Ｖは母材に含まれる成分であるが、本発明で規定する初層溶接部の範囲０．２％以下を得るためには溶接材料におけるＶ含有量は０．１％以下であることが望ましい。
Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉの一種以上の総和が０．２％以下
Ｎｉ、Ｎｂは母材に含まれる元素であるが、本発明で規定する初層溶接部の範囲であるＮｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．０７％以下を得るためには、溶接材料における含有量は出来るだけ低い方が望ましい。
また、Ｔｉは通常母材にはほとんど含まれないが溶接部に残留すると非金属介在物の生成を増加させるため、溶接材料における含有量は出来るだけ低い方が望ましい。そのため、Ｎｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上の総和は０．２％以下が望ましい。
Ｗ、Ｃｏ、Ｂは母材に含まれ得る成分であるが、本発明で規定する初層溶接部の範囲であるＷ：１．５％以下、Ｃｏ：１．５％以下、Ｂ：０．００５％以下を得るためには、通常の溶接材料の製造方法により不可避的に含まれる範囲内で極力低い方が望ましい。
以下に、本発明の上盛層溶接部の成分を規定した理由について説明する。なお、以下における含有量はいずれも質量％で示される。
Ｃ：０．０５〜０．２％
軸受面に必要な強度を与える上でＣは必要な添加元素であるため０．０５％を下限とした。しかし、０．２％を超える含有は衝撃値を下げること、溶接割れ感受性が高くなることから、０．２％を上限とする。
Ｓｉ：０．１〜１．０％
初層肉盛溶接金属で示したのと同様にＳｉは脱酸剤として、あるいは強度確保のために必要な元素であるため０．１％を下限とする。しかし、過剰な含有は応力除去焼鈍割れ等の割れを助長し、また靭性の低下を招くので１．０％を上限とする。なお、同様の理由で下限を０．３％、上限を０．７％とするのが望ましい。
Ｍｎ：０．３〜２．５％
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として、あるいは強度確保のために必要な元素であるため０．３％を下限とする。しかし、過剰な含有は靭性の低下を招くので２．５％を上限とする。なお、同様の理由で下限を０．７％、上限を２．０％とするのが望ましく、さらに下限を１．０％とするのが一層望ましい。
Ｃｒ：１．０〜４．０％
Ｃｒは強度と靭性を確保する上で重要な元素であり、かつ初層とのＣｒ差を抑えフェライトの生成を防ぐため、１．０％を下限とする。しかし、４．０％を超えると強度が高くなりすぎ初層にひずみが集積し、応力除去焼鈍時に割れが発生することがあるため上限を４．０％とする。
Ｍｏ：０．５〜１．５％
Ｍｏは応力除去焼鈍中に炭化物として析出し、焼戻し軟化抵抗を高めるため、応力除去焼鈍後の強度を得る上で重要な元素であり、応力除去焼鈍時のひずみの集中を抑制するために０．５％を下限とする。しかし、過剰な含有は応力除去焼鈍割れ感受性を高め、また靭性の低下を招くため１．５％を上限とする。
上盛層溶接部の必須構成元素は上記の通りであり、残部は実質的にＦｅからなるが、これらには上記の特性を阻害しない範囲で微量のＳ、Ｐ、Ｎｉ等の不可避不純物が含まれていても構わない。高Ｃｒロータ基材における肉盛上盛層として使用することにより、耐焼付き性が優れ、かつ、初層と上盛層溶接部とのＣｒ含有量差を抑えることにより、フェライトの生成を抑制することができる。
なお、不可避不純物の規定について以下に説明する。
Ｐ：０．０１５％以下
Ｐは金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素であり、靱性を低下させる可能性があるので、可能な限り低減することが望ましい。したがって、Ｐの含有量は０．０１５％以下とする。
Ｓ：０．０１５％以下
Ｓも金属材料を溶製する際に原料などから混入してくる不純物元素であり、靱性を低下させる可能性があるので、可能な限り低減することが望ましい。したがって、Ｓの含有量は０．０１５％以下とする。
Ｃｕ：０．２％以下
Ｃｕは溶接部の靭性を低下させる可能性があり、上限を０．２％以下とする。
Ｖ：０．１５％以下
応力焼鈍割れ防止を重視する場合、Ｖの含有を制限する。Ｖは焼き戻し軟化抵抗性を上げるため初層へのひずみ集中が起こり、応力焼鈍時に割れが発生する場合がある。それを回避するためにＶ含有量を０．１５％以下とする。
なお、上盛層１層目にＶ含有量の低い溶接材料を使用して当該溶接部のＶ含有量を０．１５％以下にして応力焼鈍割れを回避し、上盛層２層目以降、あるいは少なくとも製品表層部の溶接部はＶを添加した溶接材料を使用して当該溶接部のＶ含有量を０．１５〜０．３％にする等、溶接材料を組み合わせて使用することでもよい。その場合、製品表層部の溶接部のＣｒ含有量は、焼き付きを防止するために２．５％以下が望ましい。
Ｎｉ：０．３％以下
Ｎｉの過度の含有は焼戻し脆化を起こす可能性があり、０．３％を上限とする。
Ｎｂ：０．０７％以下
Ｎｂは、一般に応力除去焼鈍時の焼戻し軟化抵抗性を向上させ、室温強度を確保する元素であるが、過度に含有すると靭性が低下し、また溶接性も劣化する可能性があるので、本発明では上限を０．０７％に定める。
Ｐｃｒ（ｎ）＝（ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量）×０．６５−｛（ｎ−１）層目上盛層溶接部中のＣｒ量−ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量｝×０．３５＞０．７ …（２）
ただし、多層肉盛溶接部がＮ層で構成されている場合、２≦ｎ≦Ｎである。
前記規定により、ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量と（ｎ−１）層目上盛層溶接部中のＣｒ量の差を考慮し、Ｐｃｒ（ｎ）を０．７を超える値にすることで、各層境界のフェライト生成が抑制される。なお、Ｐｃｒ（２）は、２層目（１層目は初層溶接部）にある上盛層（上盛層のうち１層目）の計算値であり、この場合（ｎ−１）層目上盛溶接部には、初層溶接部が相当する。なお、上記式中のＣｒ量はいずれも質量％で示される。
上盛層溶接部用溶接材料
上記上盛層溶接部を得る溶接材料は、初層上に上盛溶接した際に初層との間で成分の希釈が生じることによる組成変動を考慮して、上記上盛層溶接部組成を得るために規定されたものであり、これにより上記上盛層溶接部の作用効果を発揮することが出来る。
具体的には上盛層溶接部用溶接材料は、
質量％で、
Ｃ：０．０３〜０．２％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．３〜３．０％、
Ｃｒ：１．０〜２．５％、
Ｍｏ：０．１〜１．５％、
を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１％以下に規制し、さらにＮｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総和で０．２％以下に規制した組成を有しているのが望ましい。
以下、上記成分について具体的に説明する。
Ｃ：０．０３〜０．２％
本発明で規定する上盛層溶接部の範囲は０．０５〜０．２％であり、本発明で規定するＣ含有量を有する初層溶接部との希釈／融合を考慮すると、上盛層溶接部の成分範囲の上限を超えないために、溶接材料におけるＣ含有量は下限を０．０３％、溶接作業性を考慮すると上限を０．２％とするのが望ましい。
Ｓｉ：０．１〜１．０％
本発明で規定する上盛層溶接部の範囲は０．１〜１．０％であり、本発明で規定するＳｉ含有量を有する初層溶接部との希釈／融合を考慮すると、上盛層溶接部の成分範囲を得るためには溶接材料におけるＳｉ含有量は０．１〜１．０％の範囲が望ましい。
Ｍｎ：０．３〜３．０％
本発明で規定する上盛層溶接部の請求範囲は０．３〜２．５％であり、本発明で規定するＭｎ含有量を有する初層溶接部との希釈／融合を考慮すると、上盛層溶接部の成分範囲を得るためには溶接材料中のＭｎ含有量は０．３〜３．０％の範囲が望ましい。
Ｃｒ：１．０％〜２．５％
本発明で規定する上盛層溶接部の請求範囲は１．０〜４．０％であり、本発明で規定するＣｒ含有量を有する初層溶接部との希釈／融合を考慮すると、上盛層溶接部の成分範囲を得るために、溶接材料におけるＣｒ含有量の下限は、前記上盛層溶接部のＣｒ含有量下限を下回らないように１．０％、上限は前記上盛層溶接部のＣｒ含有量上限を超えないように２．５％が望ましい。また、製品表層部となる上盛溶接部のＣｒ含有量は焼き付きを防止するために２．５％以下が望ましく、同様に溶接材料の上限も２．５％が望ましい。
Ｍｏ：０．5〜１．５％
本発明で規定する上盛層溶接部の範囲は０．５〜１．５％であり、本発明で規定するＭｏ含有量を有する初層溶接部との希釈／融合を考慮すると、上盛層溶接部の成分範囲を得るためには、溶接材料におけるＭｏ含有量は０．５〜１．５％の範囲が望ましい。
不純物：Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｖ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｂ
不純物として、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下が許容される。これらは、機械的性質や溶接性を悪化させる成分であり、本発明で規定する上盛層溶接部と同じ成分範囲が望ましい。
Ｖ：０．１％以下
Ｖは母材からの希釈／融合により初層溶接部には０．２％以下のＶが含まれ得る。そのため、本発明で規定する上盛層溶接部のＶ含有量の範囲０．１５％以下を得るためには、溶接材料におけるＶ含有量は０．１％以下であることが望ましい。
Ｎｉ、Ｎｂ、Ｔｉの一種以上の総和が０．２％以下
Ｎｉ、Ｎｂは母材に含まれ得る元素であるが、本発明で規定する上盛層溶接部の範囲であるＮｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．０７％以下を得るためには、溶接材料におけるＮｉ、Ｎｂの含有量は出来るだけ低い方が望ましい。
またＴｉは、通常、母材にはほとんど含まれないが溶接部に残留すると非金属介在物の生成を増加させるため、同じく溶接材料における含有量は低い方が望ましい。そのため、Ｎｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上の総和は０．２％以下が望ましい。
Ｗ、Ｃｏ、Ｂは母材からの希釈／融合により、初層溶接部にはＷ：１．５％以下、Ｃｏ：１．５％以下、Ｂ：０．００５％以下の範囲で含有され得る。しかし、上盛層溶接部にはこれらの成分を含む必要はなくコスト面から通常の溶接材料の製造方法により不可避的に含まれる範囲内であればよい。
なお溶接部の組成は、一般的に溶接される材料が２０〜４０％程度溶かされ溶接材料と希釈／融合されると言われており、溶接材料はこの希釈／融合を加味して成分を決定しても良い。
高Ｃｒ鋼製タービンロータ
本願発明では、高Ｃｒ鋼製タービンロータを肉盛の対象とするものである。高Ｃｒ鋼製タービンロータは高Ｃｒ鋼で構成されており、例えば、８〜１３％のＣｒを含有する鋼が例示される。本発明としては、該タービンロータの組成は特定のものに限定されるものでなく、タービンロータに使用可能な高Ｃｒ鋼であればよい。
なお、代表的なタービンロータ組成を以下に例示する。
Ｃ：０．０５〜０．２５％、
Ｓｉ：１．０％以下、
Ｍｎ：１．５％以下、
Ｎｉ：１．０％以下、
Ｃｒ：８〜１３％、
Ｍｏ：２．０％以下、
Ｖ：０．０５〜０．４％、
Ｎｂ：０．０１〜０．１％、
Ｎ：０．０１〜０．０５％、
Ｗ：０．０５〜５．０％、
Ｃｏ：０．０５〜５．０％、
Ｂ：０．０１５％以下
残部がＦｅおよびその他の不純物。
以上説明したように、本発明の上盛層溶接部によれば、初層と上盛層の境界部にフェライトを生成することなく、また応力除去焼鈍割れを抑制することが可能であり、軸受部に求められる強度や靭性を満足しつつ、軸受けの焼付を防止することが出来る。
さらに、母材、初層、上盛層の強度バランスを最適なものとし、応力除去焼鈍時の初層へのひずみの集中を防止することができる。これにより、溶接時の残留応力の大きいスラスト部の溶接に対しても応力除去焼鈍割れを起こすことなく施工が可能になる。また各層のＣｒ量の差を考慮することで、初析フェライトの生成を防ぎ、安定した品質の肉盛強化型高Ｃｒ鋼製タービンロータを提供し得ることになった。
本発明が適用される高Ｃｒ鋼製タービンロータの概略を示す図である。 本発明の実施例における分析箇所を示す図である。 同じく、Ｃｒ変動材を用いた高温低ひずみ速度引張試験のＣｒ量と絞りの関係を示す図である。 リング割れ試験片形状および試験片採取位置を示す図である。
以下に本発明の実施形態を示す。
図１は本発明の肉盛溶接材料が適用される高Ｃｒ鋼製タービンロータ１を示すものであり、例えば、８〜１３％のＣｒを含有する鋼が例示される。
高Ｃｒ鋼製タービンロータ１は軸受部としてジャーナル部２とスラスト部３を有しており、ジャーナル部２とスラスト部３の一方または両方に、本発明の溶接材料を用いて肉盛部を形成することが出来る。
肉盛部の形成に際しては、初層を形成し、その上盛に本発明の溶接材料を用いて上盛層を形成することが望ましい。上記初層、上盛層の形成は、安定した品質の溶接部を形成するためにＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接などにより行うのが望ましい。該溶接における溶接方法、溶接条件は、本発明としては特に限定されるものではない。
なお、下盛の溶接に際しては、下記（１）式を満たすように、初層のＣｒ含有量を定めるのが望ましい。
Ｐｃｒ（１）＝（初層溶接部中のＣｒ量）×０．６５−（高Ｃｒ鋼製タービンロータのＣｒ量−初層溶接部中のＣｒ量）×０．３５＞０．７ …（１）
また、上盛の溶接に際しては、下記（２）式を満たすように、上盛層のＣｒ含有量を定めるのが望ましい。
Ｐｃｒ（ｎ）＝（ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量）×０．６５−｛（ｎ−１）層目上盛層溶接部中のＣｒ量−ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量｝×０．３５＞０．７ …（２）
ただし、多層肉盛溶接部がＮ層で構成されている場合、２≦ｎ≦Ｎである。
以下に、本発明の実施例を説明する。
高Ｃｒ鋼製タービンロータを想定して表１に示す成分組成（残部Ｆｅおよび不可避不純物）の１２Ｃｒロータ基材を使用し、表２に示す成分組成（残部Ｆｅおよび不可避不純物）の肉盛溶接ワイヤーを本発明または比較例の初層溶接部用溶接材料として用い、更に表３に示す成分組成（残部Ｆｅおよび不可避不純物）の肉盛溶接ワイヤーを本発明または比較例の上盛溶接部用溶接材料として用いた。
上記溶接材料を用いて、表４に示す溶接条件のＴＩＧ溶接で初層、上盛層を肉盛溶接した後、図２に示した箇所で初層、上盛層の成分分析（チェック分析；残部Ｆｅおよび不可避不純物）を行った。さらに、各試験材から初層溶接金属が中心になるように引張試験片を採取し、応力除去焼鈍過程を模擬した温度６６０℃で温度を均一にするために３０分保持した後、ひずみ速度６．７×１０−６／ｓで試験を行った。
Figure 0005759304
Figure 0005759304
Figure 0005759304
Figure 0005759304
なお、Ｃｒ量による応力除去焼鈍割れ感受性の評価を行うため、溶接条件によってＣｒ含有量を変えたＣｒ変動材を用い、試験を行った。初層のチェック分析結果を表５に示し、図３にＣｒ量と絞りの相関を示す。初層溶接部のＣｒ量が増加するに伴い、絞りが増加し、Ｃｒ量約４．０％で絞りは飽和した。この結果より初層溶接部のＣｒ量は４．０％以上が必要であることが明らかになった。
Figure 0005759304
次に、肉盛溶接後の初層溶接部のチェック分析結果（残部Ｆｅおよび不可避不純物）を表６、上盛層溶接部のチェック分析結果（残部Ｆｅおよび不可避不純物）を表７に示す。高温低ひずみ速度引張試験を行った溶接組合せと試験結果を表８に示す。初層へのひずみの集積が応力除去焼鈍割れの発生原因と考えられるため、初層で破断し破断絞りが１０％以下の場合を（×）、初層で破断し破断絞りが１０％を超え３０％未満である場合を（△）、上盛層で破断し破断絞りが３０％以上である場合を（○）とした。表８からも明らかように、本発明の規定要件を満足する実施例ワイヤーでは上盛層溶接金属で破断しているか、初層部で破断しても破断絞りが１０％を超えており、初層へのひずみの集積が認められないか、初層への集積が認められたとしても十分な破断絞りを有している。
Figure 0005759304
Figure 0005759304
Figure 0005759304
初層溶接金属（ワイヤーＮｏ．６）と上盛層溶接金属（ワイヤーＮｏ．８）の様にＣｒ量の差が大きくなる場合、溶接部の境界にフェライトが生成した。フェライトは局所的な強度低下となり、応力除去焼鈍処理中にひずみの集中を起こす可能性があり、フェライトの生成を防止する必要がある。従って、各層のＣｒ量は以下に示す式を満足するのが望ましく、表８に示したＰｃｒ（２）＝０．６６ではフェライトが生成している。また、この式より、初層溶接部のＣｒ量が４．１％以上であれば母材と初層の境界のフェライトの析出を防ぐことができる。
Ｐｃｒ（ｎ）＝（ｎ層金属中のＣｒ量）×０．６５−｛（ｎ−１）層金属中のＣｒ量−ｎ層金属中のＣｒ量｝×０．３５＞０．７
ｎ＝０；母材 ｎ＝１；初層
表８の結果を受け、表２から溶接材料を選定した初層溶接部用溶接材料で溶接を行った後、初層溶接部の応力除去焼鈍割れ感受性を評価する試験であるリング割れ試験を行った。リング割れ試験片形状および採取位置を図４に示す。
図４（ａ）中１０は、１２Ｃｒロータ基材、１１は、初層溶接部であり、１２は、リング割れ試験片である。
図４（ｂ）は、リング割れ試験片１２を示し、図４（ｃ）は、図４（ｂ）における（ｃ）部の拡大図である。
リング割れ試験片１２は、内径５ｍｍ、外径１０ｍｍ、長さ２０ｍｍの円柱形状を有し、その側壁に径方向に貫通する間隙０．３ｍｍの切り欠き１２ａが軸方向に沿って形成されている。また、切り欠き１２ａの対向側の外周壁に、幅０．４ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、底部の断面形状を曲率０．２ｍｍの湾曲形状とした溝部１２ｂが軸方向に沿って形成されている。
溶接熱サイクルの影響を排除するために、母材に任意の溶接材料で一層盛をした後、原質部にＵノッチとなるように加工している。
ＴＩＧ溶接で拘束溶接後、６３０℃×１０時間の応力除去焼鈍処理を行い、１溶接部で各２個の試験片（Ｎ−１、Ｎ−２）を作製し、１試験片から各３断面観察を行い評価した。結果を表９に示す。また、（１）式に基づいてＰｃｒ（１）値を算出し、表９に示した。
割れが発生しなかった場合を○、割れが発生した場合を×とした。以上の結果より、Ｃｒ含有量により応力除去焼鈍割れ感受性が異なり、高Ｃｒ材料の方が応力除去焼鈍割れ感受性は低下した。
Figure 0005759304
以上の実施例を纏めた結果を表１０に示す。総合評価では、表１０中の個別の評価項目全てで○のものを◎、△があるものを○、いずれかで×のあるものを×として評価した。総合評価◎のものは十分に使用可能と判断でき、総合評価○のものは使用可能と判断できる。総合評価×のものは使用不可と判断される。この結果より、本発明材は初層の応力除去焼鈍割れ感受性が低く、かつ高温低ひずみ速度引張試験では初層にひずみの集積は無く、上盛層溶接金属で破断している。さらに、母材、初層、上盛層のＣｒを考慮することによってフェライトの析出も抑えられている。
Figure 0005759304
１ 高Ｃｒ鋼製タービンロータ
２ ジャーナル部
３ スラスト部

Claims (5)

  1. 高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受接触面に形成された多層肉盛溶接部のうち、初層溶接部が、
    質量％で、
    Ｃ：０．０５〜０．２％、
    Ｓｉ：０．１〜１．０％、
    Ｍｎ：０．３〜１．５％、
    Ｃｒ：４．０〜６．７％、
    Ｍｏ：０．５〜１．５％、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、質量％で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．２％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｃｏ：１．５％以下、Ｂ：０．００５％以下、Ｗ：１．５％以下、Ｎｂ：０．０７％以下に規制された組成を有し、
    前記初層溶接部上に形成された上盛層溶接部が、
    質量％で、
    Ｃ：０．０５〜０．２％、
    Ｓｉ：０．１〜１．０％、
    Ｍｎ：０．３〜２．５％、
    Ｃｒ：１．０〜４．０％、
    Ｍｏ：０．５〜１．５％、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１５％以下、Ｎｉ：０．３％以下、Ｎｂ：０．０７％以下に規制された組成を有する、ＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部。
  2. 前記初層溶接部が、次の式（１）を満足することを特徴とする請求項１記載のＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部。
    Ｐｃｒ（１）＝（初層溶接部中のＣｒ量）×０．６５−（高Ｃｒ鋼製タービンロータのＣｒ量−初層溶接部中のＣｒ量）×０．３５＞０．７ …（１）
  3. 前記上盛層溶接部中の前記Ｖ量が、前記初層溶接部の不可避不純物中に含まれるＶ量よりも低く、かつ質量％で０．１５％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部。
  4. 前記上盛層溶接部が、次の式（２）を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部。
    Ｐｃｒ（ｎ）＝（ｎ層目上盛層溶接＊０．３部中のＣｒ量）×０．６５−｛（ｎ−１）層目上盛層溶接部中のＣｒ量−ｎ層目上盛層溶接部中のＣｒ量｝×０．３５＞０．７ …（２）
    ただし、多層肉盛溶接部がＮ層で構成されている場合、２≦ｎ≦Ｎである。
  5. 高Ｃｒ鋼製タービンロータの軸受接触面に、
    質量％で、
    Ｃ：０．０３〜０．２％、
    Ｓｉ：０．１〜１．０％、
    Ｍｎ：０．３〜１．２％、
    Ｃｒ：２．０〜５．５％、
    Ｍｏ：０．１〜１．５％、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１％以下に規制し、さらにＮｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総和で０．２％以下に規制した組成を有する初層溶接部用溶接材料によって請求項１記載の組成が得られる初層溶接部をＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接により形成し、
    前記初層溶接部の上層に、
    質量％で、
    Ｃ：０．０３〜０．２％、
    Ｓｉ：０．１〜１．０％、
    Ｍｎ：０．３〜３．０％、
    Ｃｒ：１．０〜２．５％、
    Ｍｏ：０．１〜１．５％、
    を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物中で、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｖ：０．１％以下に規制し、さらにＮｉ、ＮｂおよびＴｉよりなる群から選択される１種以上を総和で０．２％以下に規制した組成を有する上盛層溶接部用溶接材料によって請求項１記載の組成が得られる上盛層をＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接により形成することを特徴とするＴＩＧ溶接またはサブマージアーク溶接による高Ｃｒ鋼製タービンロータの多層肉盛溶接部の製造方法。
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