JP5932622B2 - Austenitic heat resistant steel and turbine parts - Google Patents

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Description

本発明の実施の形態は、オーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品に関する。   Embodiments of the present invention relate to an austenitic heat resistant steel and a turbine component.

近年、大気中への二酸化炭素の排出量削減の観点から、発電プラントの高効率化が進められている。そのため、火力発電プラントに備えられる蒸気タービンやガスタービンの高効率化が要求されている。また、火力発電プラントに設置可能なCOタービンにおいても高効率化が要求されている。ここで、COタービンは、天然ガスと酸素との燃焼により生成されたCOを作動流体としてタービンを駆動するものである。COタービンにおいては、生成されたCOの大部分を燃焼器に循環させる方式が採用され、COの排出が削減されるため、地球環境保護の観点から注目されている。 In recent years, high efficiency of power plants has been promoted from the viewpoint of reducing carbon dioxide emissions into the atmosphere. Therefore, high efficiency of the steam turbine and gas turbine provided in the thermal power plant is required. High efficiency is also required for a CO 2 turbine that can be installed in a thermal power plant. Here, the CO 2 turbine drives the turbine using CO 2 generated by combustion of natural gas and oxygen as a working fluid. In the CO 2 turbine, a system in which most of the generated CO 2 is circulated to the combustor is adopted, and CO 2 emission is reduced. Therefore, the CO 2 turbine is attracting attention from the viewpoint of protecting the global environment.

上記した各タービンにおける効率を上げるためには、タービンに導入される作動流体の入口温度を高温化することが有効である。例えば、蒸気タービンにおいては、将来的には、作動流体である蒸気の温度が650℃以上、さらには700℃程度での運用が期待されている。ガスタービンやCOタービンにおいても、導入される作動流体の入口温度は、上昇する傾向にある。 In order to increase the efficiency of each turbine described above, it is effective to increase the inlet temperature of the working fluid introduced into the turbine. For example, a steam turbine is expected to be operated in the future when the temperature of steam as a working fluid is 650 ° C. or higher, and further about 700 ° C. Also in the gas turbine and the CO 2 turbine, the inlet temperature of the introduced working fluid tends to increase.

従来、600℃程度の温度に曝されるタービン部品には、フェライト系耐熱鋼などが使用されている。しかしながら、上記したような高温の作動流体に曝されるタービン部品をフェライト系耐熱鋼で構成することは耐熱性から問題がある。そのため、このような高温の作動流体に曝されるタービン部品は、オーステナイト系耐熱鋼、Ni基合金あるいはCo基合金などで構成される。これらの中でも、オーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼よりも50℃程度も耐用温度が高く、かつNi基合金の1/3程度の材料費である。そのため、オーステナイト系耐熱鋼を使用することで、製造コストを抑え、高効率化を図ることができる。   Conventionally, ferritic heat-resistant steel or the like is used for turbine parts exposed to a temperature of about 600 ° C. However, it is problematic from the viewpoint of heat resistance that the turbine parts exposed to the high-temperature working fluid as described above are made of ferritic heat resistant steel. Therefore, the turbine component exposed to such a high-temperature working fluid is composed of austenitic heat-resistant steel, Ni-base alloy, Co-base alloy, or the like. Among these, the austenitic heat resistant steel has a higher service temperature as much as about 50 ° C. than the ferritic heat resistant steel, and the material cost is about 1/3 that of the Ni-based alloy. Therefore, by using austenitic heat-resistant steel, manufacturing costs can be reduced and higher efficiency can be achieved.

公知のオーステナイト系耐熱鋼としては、SUS316やAlloy286などがある。また、最近では、金属間化合物などを新たな析出強化相として利用した高強度オーステナイト系耐熱鋼も提案されている。   Known austenitic heat resistant steels include SUS316 and Alloy286. Recently, a high-strength austenitic heat-resistant steel using an intermetallic compound or the like as a new precipitation strengthening phase has also been proposed.

特開平11−195880号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-195880

高温構造材料の設計を行う上で、材料の熱膨張特性は重要な因子である。しかしながら、従来のオーステナイト系耐熱鋼の線膨張係数は、フェライト系耐熱鋼の線膨張係数の1.5倍程度であるため、熱伸び差の問題などが生じる。また、従来のオーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼に比べて、耐力および引張強度が低いことも知られている。   In designing a high-temperature structural material, the thermal expansion property of the material is an important factor. However, since the linear expansion coefficient of the conventional austenitic heat resistant steel is about 1.5 times the linear expansion coefficient of the ferritic heat resistant steel, a problem of thermal expansion difference occurs. It is also known that conventional austenitic heat resistant steels have lower yield strength and tensile strength than ferritic heat resistant steels.

本発明が解決しようとする課題は、線膨張係数の低減を図るとともに、引張特性を向上することができるオーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide an austenitic heat-resisting steel and a turbine component capable of reducing the linear expansion coefficient and improving the tensile properties.

実施形態のオーステナイト系耐熱鋼は、Ni:24〜27質量%、Cr:16〜25質量%、V:0.1〜0.5質量%、Ti:1.9〜2.35質量%、Al:0.35〜2質量%、B:0.001〜0.01質量%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。   The austenitic heat resistant steel of the embodiment is Ni: 24-27% by mass, Cr: 16-25% by mass, V: 0.1-0.5% by mass, Ti: 1.9-2.35% by mass, Al : 0.35 to 2% by mass, B: 0.001 to 0.01% by mass, with the balance being Fe and inevitable impurities.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

オーステナイト系耐熱鋼において、Cr、Mo、Wを過剰に添加するとσ((Ni,Cr)(Mo,Co))相(金属間化合物)や、η(NiTi)相(金属間化合物)などが析出し、クリープ強度や延性が低下する。しかしながら、本発明者らは、これらの元素を適量添加することで、これらの元素がオーステナイト母相に固溶することを見出した。これにより、固溶強化によって母相の強度が向上するとともに、線膨張係数を減少させる効果があることを明らかにした。 In an austenitic heat-resistant steel, if Cr, Mo, W is added excessively, σ ((Ni, Cr) (Mo, Co)) phase (intermetallic compound), η (Ni 3 Ti) phase (intermetallic compound), etc. Precipitates and the creep strength and ductility decrease. However, the present inventors have found that by adding an appropriate amount of these elements, these elements are dissolved in the austenite matrix. As a result, it has been clarified that the solid phase strengthening improves the strength of the matrix and reduces the linear expansion coefficient.

Al、Tiは、γ’(Ni(Al,Ti))相を形成する元素である。このγ’相は、母相に対して整合析出するため、Al、Tiの添加により析出強化を図ることができる。また、γ’相における線膨張係数は小さい。そのため、本発明者らは、γ’相の析出量を増加させることで、オーステナイト系耐熱鋼の線膨張係数を低減できることを見出した。 Al and Ti are elements that form a γ ′ (Ni 3 (Al, Ti)) phase. Since this γ ′ phase is coherently precipitated with respect to the parent phase, precipitation strengthening can be achieved by addition of Al and Ti. Further, the linear expansion coefficient in the γ ′ phase is small. Therefore, the present inventors have found that the linear expansion coefficient of the austenitic heat resistant steel can be reduced by increasing the amount of precipitation of the γ ′ phase.

上記した観点から、本発明者らは、線膨張係数の低減を図るとともに、引張特性を向上することができるオーステナイト系耐熱鋼の化学組成などを見出した。   From the above viewpoints, the present inventors have found a chemical composition of an austenitic heat-resistant steel that can reduce the linear expansion coefficient and improve tensile properties.

以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。なお、以下の説明において組成成分を表す%は、特に明記しない限り質量%とする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described. In the following description, “%” representing a composition component is “% by mass” unless otherwise specified.

実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼(M1)は、Ni:24〜27%、Cr:16〜25%、V:0.1〜0.5%、Ti:1.9〜2.35%、Al:0.35〜2%、B:0.001〜0.01%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。   The austenitic heat resistant steel (M1) of the embodiment is Ni: 24-27%, Cr: 16-25%, V: 0.1-0.5%, Ti: 1.9-2.35%, Al : 0.35 to 2%, B: 0.001 to 0.01%, with the balance being Fe and inevitable impurities.

上記した実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼(M1)は、MoとWとを合計して10%以下(Mo、Wのいずれかが0の場合も含む)をさらに含有してもよい。   The austenitic heat resistant steel (M1) of the above-described embodiment may further contain 10% or less (including the case where either Mo or W is 0) in total of Mo and W.

上記した実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼(M1)は、TaとNbとを合計して5%以下(Ta、Nbのいずれかが0の場合も含む)をさらに含有してもよい。   The austenitic heat resistant steel (M1) of the above-described embodiment may further contain 5% or less (including the case where either Ta or Nb is 0) in total of Ta and Nb.

上記した実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼(M1)は、MoとWとを合計して10%以下(Mo、Wのいずれかが0の場合も含む)、およびTaとNbとを合計して5%以下(Ta、Nbのいずれかが0の場合も含む)をさらに含有してもよい。   In the austenitic heat-resisting steel (M1) of the above-described embodiment, Mo and W are summed up to 10% or less (including the case where either Mo or W is 0), and Ta and Nb are summed up. It may further contain 5% or less (including the case where either Ta or Nb is 0).

ここで、本発明の実施のオーステナイト系耐熱鋼における不可避的不純物としては、例えば、Si、Mn、PおよびSなどが挙げられる。   Here, examples of the inevitable impurities in the austenitic heat-resistant steel according to the present invention include Si, Mn, P, and S.

また、本発明の実施のオーステナイト系耐熱鋼は、室温から700℃の温度における平均線膨張係数が18×10−6/K以下であることが好ましい。ここで、平均線膨張係数は、同じ試験片において、室温(T)における長さ(L)と、所定の温度(T)における長さ(L)を用いて、次の式(1)によって求められる。
平均線膨張係数 =(L−L)/L(T−T) …式(1)
Moreover, it is preferable that the austenitic heat resistant steel of the present invention has an average linear expansion coefficient of 18 × 10 −6 / K or less at a temperature from room temperature to 700 ° C. Here, the average linear expansion coefficient is the following equation (1) using the length (L 0 ) at room temperature (T 0 ) and the length (L) at a predetermined temperature (T) in the same test piece. Sought by.
Average linear expansion coefficient = (L−L 0 ) / L 0 (T−T 0 ) (1)

上記した室温から700℃の温度における平均線膨張係数は、室温(T)での長さ(L)と、温度(T=700℃)での長さ(L)を用いて、式(1)によって求められたものである。 The average linear expansion coefficient at the temperature from room temperature to 700 ° C. is calculated by using the length (L 0 ) at room temperature (T 0 ) and the length (L) at temperature (T = 700 ° C.), 1).

ここで、線膨張係数が高いオーステナイト系耐熱鋼を、例えば発電プラントに使用した場合、発電プラントの寿命および性能に支障をきたす。具体的には、例えば、そのようなオーステナイト鋼をタービン部品に使用した場合、発電プラントの起動時の膨張と停止時の収縮による熱疲労が過大に発生し、タービン部品が早期に破壊する。そこで、このような問題を回避するために、オーステナイト系耐熱鋼の室温から700℃の温度における平均線膨張係数を18×10−6/K以下とすることが好ましい。 Here, when an austenitic heat-resistant steel having a high linear expansion coefficient is used, for example, in a power plant, the life and performance of the power plant are hindered. Specifically, for example, when such austenitic steel is used for a turbine component, thermal fatigue due to expansion and contraction at the time of start-up of the power plant occurs excessively, and the turbine component is destroyed early. Therefore, in order to avoid such a problem, it is preferable that the average linear expansion coefficient of the austenitic heat-resistant steel at a temperature from room temperature to 700 ° C. is 18 × 10 −6 / K or less.

本発明の実施のオーステナイト系耐熱鋼は、運転時の温度が650℃以上、さらには、700℃程度となるタービン部品を構成する材料として好適である。タービン部品として、例えば、タービンケーシング、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材、配管などが挙げられる。ここで、螺合部材として、例えば、タービンケーシングやタービン内部の各種構成部品を固定するボルトやナットなどを例示することができる。配管としては、例えば、発電用タービンプラントなどに設置され、高温高圧の作動流体が通過する配管などを例示することができる。   The austenitic heat-resisting steel of the present invention is suitable as a material constituting a turbine component having a temperature during operation of 650 ° C. or higher, and about 700 ° C. Examples of the turbine component include a turbine casing, a moving blade, a stationary blade, a turbine rotor, a screwing member, and piping. Here, as a screwing member, a bolt, a nut, etc. which fix various components inside a turbine casing or a turbine can be illustrated, for example. Examples of the piping include piping installed in a power generation turbine plant and the like through which a high-temperature and high-pressure working fluid passes.

ここで、上記したタービン部品のすべての部位を、本実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼で構成してもよい。また、例えば、温度が650℃以上となるタービン部品の一部の部位を、本実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼で構成してもよい。   Here, you may comprise all the site | parts of an above-described turbine component with the austenitic heat-resisting steel of this Embodiment. For example, you may comprise the one part site | part of the turbine components in which temperature becomes 650 degreeC or more with the austenitic heat-resistant steel of this Embodiment.

上記した本実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、従来のオーステナイト系耐熱鋼よりも、線膨張係数が低く、引張特性に優れている。そのため、本実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼を用いて作製されたタービン部品においても、オーステナイト系耐熱鋼と同様な特性を有し、高い信頼性を有する。   The austenitic heat resistant steel of the present embodiment described above has a lower coefficient of linear expansion and excellent tensile properties than conventional austenitic heat resistant steel. Therefore, a turbine component manufactured using the austenitic heat resistant steel of the present embodiment also has the same characteristics as the austenitic heat resistant steel and has high reliability.

上記した、オーステナイト系耐熱鋼やタービン部品は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、COタービンなどの発電用タービンに適用することができる。 The austenitic heat-resistant steel and turbine parts described above can be applied to power generation turbines such as steam turbines, gas turbines, and CO 2 turbines, for example.

次に、上記した実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼における各組成成分範囲の限定理由を説明する。   Next, the reason for limitation of each component range in the austenitic heat-resistant steel of the above-described embodiment will be described.

(1)Ni(ニッケル)
Niは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。また、Niは、オーステナイト構造を安定化させる。Niの含有率が24%未満の場合には、上記した効果が十分に発揮されない。一方、Niの含有率が27%を超えると、材料コストの増加や加工性が低下する。そのため、Niの含有率を24〜27%とした。さらに好ましいNiの含有率は、25〜27%である。
(1) Ni (nickel)
Ni dissolves in the Fe matrix, and causes solid solution strengthening and a decrease in the linear expansion coefficient of the matrix. Ni also stabilizes the austenite structure. When the Ni content is less than 24%, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, if the Ni content exceeds 27%, the material cost increases and the workability decreases. Therefore, the Ni content is determined to be 24-27%. A more preferable Ni content is 25 to 27%.

(2)Cr(クロム)
Crは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。また、Crは、γ’相の固溶温度を上昇させるため、γ’相の析出が促進される。Crの含有率が16%未満の場合には、上記した効果が十分に発揮されない。一方、Crの含有率が25%を超えると、オーステナイト構造の不安定化をもたらすとともに、σ相が析出しやすくなる。そのため、Crの含有率を16〜25%とした。さらに好ましいCrの含有率は、20〜25%である。
(2) Cr (chromium)
Cr dissolves in the Fe matrix and causes solid solution strengthening and a reduction in linear expansion coefficient of the matrix. Moreover, since Cr raises the solid solution temperature of the γ ′ phase, the precipitation of the γ ′ phase is promoted. When the Cr content is less than 16%, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, if the Cr content exceeds 25%, the austenite structure becomes unstable, and the σ phase tends to precipitate. Therefore, the Cr content is determined to be 16 to 25%. A more preferable Cr content is 20 to 25%.

(3)V(バナジウム)
Vは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。Vの含有率が0.1%未満の場合には、上記した効果が十分に発揮されない。一方、Vの含有率が0.5%を超えると、オーステナイト構造の不安定化をもたらすとともに、σ相が析出しやすくなる。そのため、Vの含有率を0.1〜0.5%とした。さらに好ましいVの含有率は、0.2〜0.4%である。
(3) V (Vanadium)
V forms a solid solution in the Fe matrix and causes solid solution strengthening and a reduction in the linear expansion coefficient of the matrix. When the V content is less than 0.1%, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, if the V content exceeds 0.5%, the austenite structure is destabilized and the σ phase tends to precipitate. Therefore, the V content is determined to be 0.1 to 0.5%. A more preferable V content is 0.2 to 0.4%.

(4)Ti(チタン)
Tiは、Fe母相に固溶して母相を固溶強化するとともに、γ’相を構成する元素である。Tiの含有率が1.9%未満の場合には、母相の固溶強化やγ’相の析出の促進が図れない。一方、Tiの含有率が2.35%を超えると、オーステナイト構造の不安定化をもたらすとともに、η相が析出しやすくなる。そのため、Tiの含有率を1.9〜2.35%とした。さらに好ましいTiの含有率は、2.0〜2.2%である。
(4) Ti (titanium)
Ti is an element that forms a γ 'phase while solid-solution strengthening the mother phase by dissolving in the Fe mother phase. When the Ti content is less than 1.9%, solid solution strengthening of the mother phase and precipitation of the γ ′ phase cannot be promoted. On the other hand, if the Ti content exceeds 2.35%, the austenite structure becomes unstable and the η phase tends to precipitate. Therefore, the Ti content is determined to be 1.9 to 2.35%. A more preferable Ti content is 2.0 to 2.2%.

(5)Al(アルミニウム)
Alは、Fe母相に固溶して母相を固溶強化するとともに、γ’相を構成する元素である。Alの含有率が0.35%未満の場合には、母相の固溶強化やγ’相の析出の促進が図れない。一方、Alの含有率が2%を超えると、オーステナイト構造の不安定化をもたらすとともに、γ’相の過剰な析出により加工性と溶接性が低下する。そのため、Alの含有率を0.35〜2%とした。さらに好ましいAlの含有率は、0.5〜1.5%である。
(5) Al (aluminum)
Al is an element that forms a γ ′ phase while solid-solution strengthening the mother phase by dissolving in the Fe mother phase. If the Al content is less than 0.35%, solid solution strengthening of the mother phase and precipitation of the γ ′ phase cannot be promoted. On the other hand, if the Al content exceeds 2%, the austenite structure becomes unstable, and workability and weldability deteriorate due to excessive precipitation of the γ 'phase. Therefore, the Al content is determined to be 0.35 to 2%. A more preferable Al content is 0.5 to 1.5%.

(6)B(ホウ素)
Bは、Fe母相に固溶して、特に粒界偏析するため、粒界強化をもたらす。また、Bは、Tiを多く含む場合、η相の析出を抑制する効果がある。Bの含有率が0.001%未満の場合には、上記した効果が十分に発揮されない。一方、Bの含有率が0.01%を超えると、母相の融点が下がり、熱間加工性が低下する。そのため、Bの含有率を0.001〜0.01%とした。さらに好ましいBの含有率は、0.004〜0.006%である。
(6) B (boron)
B dissolves in the Fe matrix, and particularly segregates at the grain boundaries, thereby strengthening the grain boundaries. Further, when B contains a large amount of Ti, it has an effect of suppressing precipitation of the η phase. When the B content is less than 0.001%, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, if the B content exceeds 0.01%, the melting point of the parent phase is lowered and the hot workability is lowered. Therefore, the B content is determined to be 0.001 to 0.01%. A more preferable content of B is 0.004 to 0.006%.

(7)Mo(モリブデン)およびW(タングステン)
MoおよびWは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。MoとWとを合計(Mo+W)した含有率が10%を超えると、材料コストが増加するとともに、熱間加工性が低下する。そのため、(Mo+W)の含有率を10%以下とした。また、上記した効果を十分に発揮させるために、(Mo+W)の含有率の下限値は、1.5%以上であることが好ましい。さらに好ましい(Mo+W)の含有率は、6〜8%である。なお、Mo、Wのいずれかの含有率が0であってもよい。
(7) Mo (molybdenum) and W (tungsten)
Mo and W are solid-dissolved in the Fe parent phase, resulting in solid solution strengthening of the parent phase and a decrease in linear expansion coefficient. When the total content of Mo and W (Mo + W) exceeds 10%, the material cost increases and the hot workability decreases. Therefore, the content ratio of (Mo + W) is set to 10% or less. Moreover, in order to fully exhibit the above-described effect, the lower limit of the content ratio of (Mo + W) is preferably 1.5% or more. A more preferable content ratio of (Mo + W) is 6 to 8%. Note that the content of either Mo or W may be zero.

(8)Ta(タンタル)およびNb(ニオブ)
TaおよびNbは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。また、TaおよびNbは、γ’相を形成して安定化させる。TaとNbとを合計(Ta+Nb)した含有率が5%を超えると、材料コストが増加するとともに、δ(Ni(Nb,Ta))相(金属間化合物)が析出しやすくなる。そのため、(Ta+Nb)の含有率を5%以下とした。また、上記した効果を十分に発揮させるために、(Ta+Nb)の含有率の下限値は、0.5%以上であることが好ましい。さらに好ましい(Ta+Nb)の含有率は、2〜4%である。なお、Ta、Nbのいずれかの含有率が0であってもよい。
(8) Ta (tantalum) and Nb (niobium)
Ta and Nb are dissolved in the Fe matrix, resulting in solid solution strengthening and a decrease in the linear expansion coefficient of the matrix. Ta and Nb form a γ ′ phase and stabilize it. When the total content of Ta and Nb (Ta + Nb) exceeds 5%, the material cost increases and the δ (Ni 3 (Nb, Ta)) phase (intermetallic compound) is likely to precipitate. Therefore, the content ratio of (Ta + Nb) is set to 5% or less. Moreover, in order to fully demonstrate the above-mentioned effect, it is preferable that the lower limit of the content rate of (Ta + Nb) is 0.5% or more. A more preferable content ratio of (Ta + Nb) is 2 to 4%. Note that the content of either Ta or Nb may be zero.

(9)Si(ケイ素)、Mn(マンガン)、P(リン)およびS(硫黄)
Si、Mn、PおよびSは、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を0%に近づけることが好ましい。
(9) Si (silicon), Mn (manganese), P (phosphorus) and S (sulfur)
Si, Mn, P and S are classified as inevitable impurities in the austenitic heat resistant steel of the embodiment. These inevitable impurities are preferably made to have a residual content as close to 0% as possible.

ここで、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼、およびこのオーステナイト系耐熱鋼を用いて製造されるタービン部品の製造方法について説明する。   Here, the austenitic heat resistant steel of the embodiment and a method for manufacturing a turbine component manufactured using the austenitic heat resistant steel will be described.

実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成する。そして、鋳塊に固溶化熱処理(溶体化処理)および時効処理を施して、オーステナイト系耐熱鋼が作製される。   The austenitic heat-resistant steel of the embodiment is manufactured as follows, for example. First, the composition components constituting the austenitic heat resistant steel are, for example, vacuum induction melted (VIM), and the molten metal is poured into a predetermined mold to form an ingot. The ingot is subjected to a solution heat treatment (solution treatment) and an aging treatment to produce an austenitic heat resistant steel.

タービン部品であるタービンケーシングは、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、その溶湯をタービンケーシングの形状に形成するための型枠に注入し、大気鋳造して構造体を作製する。そして、構造体に固溶化熱処理および時効処理を施して、タービンケーシングが作製される。   A turbine casing that is a turbine component is manufactured, for example, as follows. First, the composition components constituting the austenitic heat-resisting steel are, for example, vacuum induction melted (VIM), the molten metal is poured into a mold for forming the shape of a turbine casing, and cast into the atmosphere to produce a structure. . Then, the structure is subjected to a solution heat treatment and an aging treatment to produce a turbine casing.

なお、例えば、電気炉溶解(EF)し、アルゴン−酸素脱炭(AOD)して、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を溶湯としてもよい。   In addition, for example, it is good also as a molten metal the composition component which comprises an electric furnace melt | dissolution (EF), argon-oxygen decarburization (AOD), and comprises an austenitic heat-resistant steel.

タービン部品である、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材は、例えば次のように作製される。まず、実施形態のオーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、エレクトロスラグ再溶解(ESR)し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製する。そして、この鋳塊を上記タービン部品の形状に対応する型に配置して圧延などの鍛造処理を施す。続いて、固溶化熱処理、時効処理などを施すことで、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材が作製される。   For example, the rotor blade, the stationary blade, the turbine rotor, and the screwing member, which are turbine parts, are manufactured as follows. First, for example, vacuum induction melting (VIM) and electroslag remelting (ESR) are performed on the composition components constituting the austenitic heat-resistant steel of the embodiment, and the ingot is cast into a predetermined mold in a reduced-pressure atmosphere. And this ingot is arrange | positioned to the type | mold corresponding to the shape of the said turbine components, and forge processes, such as rolling, are given. Then, a moving blade, a stationary blade, a turbine rotor, and a screwing member are produced by performing a solution heat treatment, an aging treatment, and the like.

なお、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、真空アーク再溶解(VAR)して、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を溶湯としてもよい。また、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、エレクトロスラグ再溶解(ESR)し、真空アーク再溶解(VAR)して、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を溶湯としてもよい。   In addition, for example, the composition component constituting the austenitic heat-resistant steel may be formed as a molten metal by vacuum induction melting (VIM) and vacuum arc remelting (VAR). Further, for example, the composition component constituting the austenitic heat-resisting steel may be formed as a molten metal by vacuum induction melting (VIM), electroslag remelting (ESR), and vacuum arc remelting (VAR).

タービン部品である配管は、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、真空誘導溶解(VIM)を行い溶湯とし、または電気炉溶解(EF)してアルゴン−酸素脱炭(AOD)を行い溶湯とし、円筒形の型を高速回転させた状態でこの溶湯を流し込む。続いて、回転の遠心力を利用して溶湯を加圧し、配管形状の構造体を作製する(遠心鋳造法)。そして、構造体に固溶化熱処理および時効処理を施して、配管が作製される。   Piping which is a turbine part is manufactured as follows, for example. First, the components constituting the austenitic heat-resisting steel are subjected to vacuum induction melting (VIM) to form a molten metal, or electric furnace melting (EF) to perform argon-oxygen decarburization (AOD) to obtain a molten metal, and a cylindrical mold The molten metal is poured while rotating at a high speed. Subsequently, the molten metal is pressurized using the centrifugal force of rotation to produce a pipe-shaped structure (centrifugal casting). Then, the structure is subjected to a solution heat treatment and an aging treatment to produce a pipe.

なお、タービン部品を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。   In addition, the method for producing the turbine component is not limited to the above-described method.

次に、固溶化熱処理および時効処理について説明する。   Next, the solution heat treatment and the aging treatment will be described.

固溶化熱処理は、加工歪の除去や整粒化、γ単相化を目的として実施される。固溶化熱処理では、処理部材を885〜995℃の温度に所定時間維持し、その後、室温まで急冷する。885℃よりも温度が低い場合には、上記した効果が十分に得られない。一方、995℃を超える温度の場合には、結晶粒の過度な粗大化が生じる。急冷は、例えば、水冷や強制空冷などによって行われる。   The solution heat treatment is performed for the purpose of removal of processing strain, grain size adjustment, and γ single phase formation. In the solution heat treatment, the processing member is maintained at a temperature of 885 to 995 ° C. for a predetermined time, and then rapidly cooled to room temperature. When the temperature is lower than 885 ° C., the above effects cannot be obtained sufficiently. On the other hand, when the temperature exceeds 995 ° C., excessive coarsening of crystal grains occurs. The rapid cooling is performed by, for example, water cooling or forced air cooling.

時効処理は、結晶粒内にγ’相を析出させ、高温強度を付与し、かつ線膨張係数を下げるために行われる。時効処理では、処理部材を700〜760℃の温度に所定時間維持し、その後、室温まで冷却する。700℃よりも温度が低い場合には、γ’相が十分に析出しない。一方、760℃を超える温度の場合には、γ’相が早期に粗大化して析出密度が小さくなる。冷却は、例えば、大気中における自然冷却などによって行われる。   The aging treatment is performed to precipitate a γ 'phase in the crystal grains, impart high temperature strength, and lower the linear expansion coefficient. In the aging treatment, the treatment member is maintained at a temperature of 700 to 760 ° C. for a predetermined time, and then cooled to room temperature. When the temperature is lower than 700 ° C., the γ ′ phase is not sufficiently precipitated. On the other hand, in the case of a temperature exceeding 760 ° C., the γ ′ phase is coarsened early and the precipitation density is reduced. The cooling is performed by, for example, natural cooling in the atmosphere.

(線膨張係数および引張特性の評価)
ここでは、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼において、線膨張係数が低く、引張特性に優れていることを説明する。
(Evaluation of linear expansion coefficient and tensile properties)
Here, it will be described that the austenitic heat-resistant steel of the embodiment has a low coefficient of linear expansion and excellent tensile properties.

表1は、評価に用いられた試料1〜試料17の化学組成を示す。なお、試料1〜試料12は、本実施の形態の化学組成範囲にあるオーステナイト系耐熱鋼であり、試料13〜試料17は、その化学組成が本実施の形態の化学組成範囲にないオーステナイト系耐熱鋼であり、比較例である。   Table 1 shows the chemical compositions of Sample 1 to Sample 17 used for the evaluation. Samples 1 to 12 are austenitic heat resistant steels in the chemical composition range of the present embodiment, and Samples 13 to 17 are austenitic heat resistant steels whose chemical compositions are not in the chemical composition range of the present embodiment. It is steel and is a comparative example.

Figure 0005932622
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試料1〜試料17のオーステナイト系耐熱鋼について、線膨張係数、引張試験およびクリープ破断試験を行った。   Samples 1 to 17 were subjected to a coefficient of linear expansion, a tensile test, and a creep rupture test for the austenitic heat resistant steels.

それぞれの試験に使用する試験片は、次のように作製された。   The test piece used for each test was produced as follows.

表1に示す化学組成を有する試料1〜試料17のオーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を得るために必要な原材料を真空誘導溶解炉にて溶解し、それぞれ2kgの鋳塊を作製した。この鋳塊をアーク溶解炉によって溶解し、熱間圧延によって板状部材に成形した。得られた板状部材に対して固溶化熱処理を施した。固溶化熱処理では、940℃の温度で30分間加熱し、その後、強制空冷によって室温まで急冷した。続いて、板状部材に対して時効処理を施した。時効処理では、760℃の温度で16時間加熱し、その後、大気中における自然冷却によって室温まで冷却した。   Raw materials necessary for obtaining the compositional components constituting the austenitic heat-resisting steels of Sample 1 to Sample 17 having the chemical compositions shown in Table 1 were melted in a vacuum induction melting furnace to produce 2 kg ingots. This ingot was melted by an arc melting furnace and formed into a plate member by hot rolling. The obtained plate-like member was subjected to a solution heat treatment. In the solution heat treatment, heating was performed at a temperature of 940 ° C. for 30 minutes, and then rapidly cooled to room temperature by forced air cooling. Subsequently, the plate member was subjected to an aging treatment. In the aging treatment, heating was performed at a temperature of 760 ° C. for 16 hours, and then cooled to room temperature by natural cooling in the atmosphere.

線膨張係数測定用の試験片、引張試験用の試験片およびクリープ破断試験用の試験片は、板材部材から応力軸が鍛伸方向に平行となるように採取した。   The test piece for measuring the linear expansion coefficient, the test piece for the tensile test, and the test piece for the creep rupture test were taken from the plate member so that the stress axis was parallel to the forging direction.

線膨張係数の測定は、各試料による試験片に対して、JIS Z 2285に準拠して実施された。引張試験では、各試料による試験片に対して、室温の条件で、JIS Z 2201に準拠して、0.2%耐力を測定した。   The linear expansion coefficient was measured in accordance with JIS Z 2285 for the test piece of each sample. In the tensile test, 0.2% proof stress was measured based on JIS Z 2201 under the conditions of room temperature for the test pieces of each sample.

クリープ破断試験は、各試料による試験片に対して、JIS Z 2271に準拠して実施した。700℃/10万時間クリープ破断強度は、試験温度を700〜800℃、試験応力を200〜400MPaの範囲で実施した破断時間1000時間程度の試験結果に基づいて、Larson-Miller法によって外挿することで求められた。   The creep rupture test was performed based on JIS Z 2271 with respect to the test piece by each sample. The creep rupture strength at 700 ° C./100,000 hours is extrapolated by the Larson-Miller method based on the test result of about 1000 hours at a test temperature of 700 to 800 ° C. and a test stress of 200 to 400 MPa. It was sought after.

線膨張係数、0.2%耐力および700℃/10万時間クリープ破断強度の試験結果を表2に示す。   Table 2 shows the test results of linear expansion coefficient, 0.2% proof stress, and 700 ° C / 100,000 hours creep rupture strength.

また、オーステナイト系耐熱鋼内における金属間化合物の有無を調べるため、クリープ破断試験後の試験片の組織観察を行った。組織観察においては、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡を使用した。   Moreover, in order to investigate the presence or absence of the intermetallic compound in the austenitic heat resistant steel, the structure of the test piece after the creep rupture test was observed. In the tissue observation, an optical microscope and a scanning electron microscope were used.

Figure 0005932622
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表2に示すように、試料1〜試料12は、線膨張係数が18×10−6/K以下であり、かつ0.2%耐力およびクリープ破断強度ともに高い値が得られている。すなわち、試料1〜試料12は、線膨張係数が低く、かつ引張特性に優れていることがわかる。 As shown in Table 2, Samples 1 to 12 have a linear expansion coefficient of 18 × 10 −6 / K or less, and high values are obtained for both 0.2% proof stress and creep rupture strength. That is, it can be seen that Samples 1 to 12 have a low coefficient of linear expansion and excellent tensile properties.

一方、試料13〜試料17においては、線膨張係数が18×10−6/K以下となるものもあるが、0.2%耐力およびクリープ破断強度ともに、試料1〜試料12のそれよりも低い。すなわち、試料13〜試料17においては、線膨張係数が低く、かつ引張特性に優れた結果は得られなかった。 On the other hand, some of Samples 13 to 17 have a linear expansion coefficient of 18 × 10 −6 / K or less, but both 0.2% proof stress and creep rupture strength are lower than those of Sample 1 to Sample 12. . That is, Sample 13 to Sample 17 had a low coefficient of linear expansion and excellent results in tensile properties.

組織観察の結果、試料1〜試料12においては、σ相や、η相、δ相などの金属間化合物は認められず、健全な組織を保っていた。一方、試料13〜試料17においては、 比較例1〜7のW、Moなどを過剰に含むものについては、σ相や、η相、δ相などの析出が認められ、組織的に不安定であることがわかった。   As a result of the structure observation, in Samples 1 to 12, no intermetallic compounds such as σ phase, η phase, and δ phase were observed, and a healthy structure was maintained. On the other hand, in Samples 13 to 17, in those containing excessive amounts of W, Mo, etc. in Comparative Examples 1 to 7, precipitation of σ phase, η phase, δ phase, etc. was observed, and the structure was unstable. I found out.

以上説明した実施形態によれば、線膨張係数の低減を図るとともに、引張特性を向上することが可能となる。   According to the embodiment described above, it is possible to reduce the linear expansion coefficient and improve the tensile characteristics.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

Claims (6)

Ni:24〜27質量%、Cr:16〜25質量%、V:0.1〜0.5質量%、Ti:1.9〜2.35質量%、Al:0.35〜2質量%、B:0.001〜0.01質量%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とするオーステナイト系耐熱鋼。   Ni: 24-27 mass%, Cr: 16-25 mass%, V: 0.1-0.5 mass%, Ti: 1.9-2.35 mass%, Al: 0.35-2 mass%, B: An austenitic heat-resisting steel containing 0.001 to 0.01% by mass, the balance being Fe and inevitable impurities. Crを20〜25質量%含有していることを特徴とする請求項1記載のオーステナイト系耐熱鋼。   The austenitic heat-resisting steel according to claim 1, containing 20 to 25% by mass of Cr. MoとWとを合計して10質量%以下をさらに含有していることを特徴とする請求項1または2記載のオーステナイト系耐熱鋼。   The austenitic heat-resistant steel according to claim 1 or 2, further comprising 10% by mass or less in total of Mo and W. TaとNbとを合計して5質量%以下をさらに含有していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のオーステナイト系耐熱鋼。   The austenitic heat resistant steel according to any one of claims 1 to 3, further comprising 5% by mass or less of Ta and Nb in total. 室温から700℃の温度における平均線膨張係数が18×10−6/K以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のオーステナイト系耐熱鋼。 The austenitic heat-resistant steel according to any one of claims 1 to 4, wherein an average linear expansion coefficient at a temperature from room temperature to 700 ° C is 18 × 10 -6 / K or less. 請求項1乃至5のいずれか1項記載のオーステナイト系耐熱鋼を用いて、少なくとも所定部位が作製されたことを特徴とするタービン部品。   A turbine part, wherein at least a predetermined part is produced using the austenitic heat-resistant steel according to any one of claims 1 to 5.
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