JP6288413B2 - ステンレス部材の熱処理方法、及びステンレス鍛造品の製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス部材の熱処理方法、及びステンレス鍛造品の製造方法に関する。

ステンレス部材を鍛造又は圧延により所定形状に加工した後、鍛造等されたステンレス部材に対して、溶体化等のために熱処理する場合がある。

例えば、以下の特許文献１には、１０００〜１３００℃の高温下で鍛造等したステンレス部材を冷却した後、再び、このステンレス部材に対して９５０〜１１２５℃の高温下で熱処理する技術が開示されている。この技術では、加熱後のステンレス部材を５〜４℃／ｍｉｎの冷却速度で急冷している。

この特許文献１に記載の技術の他、本発明と関連する技術として、特許文献２に記載されている技術がある。この技術では、アルミ合金部材を熱処理のために加熱した後、このアルミ合金部材に対して、複数のノズルから冷却媒体を吹き付けて、アルミ合金部材を急冷している。金属部材を急冷する場合、部材の形状によって、温度低下しやすい部分と温度低下しにくい部分とが生じるため、金属部材中に高温部と低温部とが生じる。この結果、金属部材の冷却過程で金属部材中に熱応力が発生し、ひずみが生じる。そこで、特許文献２に記載の技術では、アルミ合金部材の急冷過程でのひずみを抑制するため、複数のノズルから吹き出す冷却媒体の流量等を調節している。

特開２０１２−１４０６９０号公報 特開２００７−１４６２０４号公報

上記特許文献２に記載の技術は、アルミニウム合金部材に対する技術である。ステンレス部材は、アルミニウム合金部材と異なる性質を有する。このため、ステンレス部材を熱処理のために加熱した後、このステンレス部材に対して、上記特許文献２に記載の技術をそのまま適用しても、冷却過程でひずみを抑制することが難しい。

そこで、本発明では、ステンレス部材を熱処理のために加熱した後、このステンレス部材を冷却する過程でのひずみを抑制することができるステンレス部材の熱処理方法、及びステンレス鍛造品の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための発明に係る一態様としてのステンレス部材の熱処理方法は、
ステンレス部材を相変態する加熱時相変態温度域以上の温度にまで加熱する加熱工程と、前記加熱工程で加熱された前記ステンレス部材を相変態する冷却時相変態温度域未満の温度にまで冷却する冷却工程と、を実行し、前記冷却工程では、前記冷却時相変態温度域を含む制御温度域での前記ステンレス部材の冷却を抑制すると共に、前記ステンレス部材中で単位質量当たりの表面積が大きい部分である大表面積部に、前記大表面積部を覆う被覆材を設ける。前記被覆材は、前記ステンレス部材と同じ材料で形成する。なお、本願におけるステンレス部材は、加熱工程の過程及び冷却工程の過程で相変態するものである。

冷却時相変態温度域では、ステンレス部材が変形し易い状態になっている。当該熱処理方法では、冷却時相変態温度域を含む温度域でのステンレス部材の冷却を抑制する。この結果、当該熱処理方法では、冷却時相変態温度域でのステンレス部材中における部分相互間での温度差を抑えることができ、ステンレス部材に発生する熱応力を小さくすることができる。よって、当該熱処理方法では、ステンレス部材のひずみを小さくすることができる。
ステンレス部材中で、単位質量当たりの表面積が大きい大表面積部は、単位質量当たりの表面積が小さい小表面積部と比べて冷え易く、冷却速度が大きい。当該熱処理方法では、冷え易い大表面積部を被覆材で覆うので、大表面積部の冷却速度を抑えることができる。このため、当該熱処理方法では、冷却時相変態温度域を含めて、ステンレス部材中の大表面積部の冷却を抑制することができる。よって、当該熱処理方法では、大表面積部と小表面積部との間の温度差を抑えることができ、ステンレス部材のひずみを小さくすることができる。
当該熱処理方法では、ステンレス部材と被覆材の熱膨張率が同一になり、冷却過程でステンレス部材と被覆材とが一体的に収縮し、ステンレス部材と被覆材との間の熱伝導をほぼ一定にできる。さらに、熱膨張率を除く熱伝導率等の熱的性質も、ステンレス部材と被覆材とで同一になる。このため、当該熱処理方法では、被覆材で覆われていない小表面積部からの放熱量と、この被覆材で覆った大表面積部からの放熱量とをほぼ同じする被覆材の各種寸法決定を容易に行うことができる。

ここで、前記一態様としてのステンレス部材の熱処理方法において、前記冷却工程では、前記ステンレス部材に冷却媒体を供給してもよい。

ステンレス部材に冷却媒体を供給する場合、前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の単位時間当たりの流量は、前記制御温度域に至る直前及び前記制御温度域を過ぎた直後よりも、前記制御温度域の方が少ない。

ステンレス部材に冷却媒体を供給する場合、前記冷却工程で前記ステンレス部材の冷却を開始してから、前記ステンレス部材の温度が前記冷却時相変態温度域に至るまでの時間を予め把握しておき、前記冷却工程では、前記ステンレス部材の冷却を開始してから、予め把握した前記時間経過する前に、前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の流量を少なくしてもよい。

また、ステンレス部材に冷却媒体を供給する場合、前記冷却時相変態温度域における相変態開始温度を予め把握しておき、前記冷却工程では、前記ステンレス部材が前記相変態開始温度に至る前に、前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の流量を少なくしてもよい。

また、ステンレス部材に冷却媒体を供給する場合、前記冷却工程を開始してから予め定めた時間が経過するまで、又は前記冷却工程を開始してから前記ステンレス部材が予め定めた温度になるまで、前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の流量を徐々に増やしてもよい。

ステンレス部材を加熱炉に入れてステンレス部材を加熱した後、ステンレス部材を加熱炉から出して冷却する場合、冷却工程でのステンレス部材の雰囲気温度は基本的に常温であるため、加熱工程の終了直前から冷却工程開始直後にかけて、ステンレス部材の雰囲気温度が急激に低下する。よって、当該熱処理方法では、冷却工程を開始してから予め定めた時間が経過するまで、又は冷却工程を開始してからステンレス部材が予め定めた温度になるまで、ステンレス部材に供給する冷却媒体の流量を徐々に増やし、ステンレス部材の温度変化を抑えている。この結果、当該熱処理方法では、ステンレス部材中における部分相互間での温度差を抑えることができ、ステンレス部材のひずみを小さくすることができる。

ここで、被覆材を設ける場合、前記被覆材で覆っていない部分における単位質量当たりの放熱量に、前記被覆材で覆った前記大表面積部の単位質量当たりの放熱量を近づけてもよい。

また、前記被覆材を設ける場合、前記加熱工程の開始前に、前記ステンレス部材に前記被覆材を設けてもよい。

当該熱処理方法では、冷却工程の開始時において、ステンレス部材と被覆材との間の温度差を実質的に無くすことができ、被覆材の取付時における温度差に基づく熱ひずみの発生を抑えることができる。

以上の各ステンレス部材の熱処理方法において、前記ステンレス部材は、析出硬化型ステンレスで形成されていてもよい。

前記目的を達成するための発明に係る一態様としてのステンレス部材の熱処理方法は、
ステンレス部材を鍛造により所定形状に加工する鍛造工程を実行した後、前記鍛造工程を経た前記ステンレス部材に対して、以上の各ステンレス部材の熱処理方法のいずれかを実行する。

この場合、前記ステンレス鍛造品は、蒸気タービンの翼であってもよい。

本発明では、冷却時相変態温度域でのステンレス部材中における部分相互間での温度差を抑えることができ、ステンレス部材に発生する熱応力を小さくすることができる。よって、本発明によれば、ステンレス部材のひずみを小さくすることができる。

本発明に係る第一実施形態における動翼の製造方法の手順を示すフローチャートである。 本発明に係る第一実施形態における動翼の斜視図である。 本発明に係る第一実施形態における動翼（ステンレス部材）の断面図である。 本発明に係る第一実施形態における加熱工程を示す説明図である。 本発明に係る第一実施形態における冷却工程を示す説明図である。 析出硬化型ステンレスの温度変化に伴うひずみの変化を示すグラフである。 本発明に係る第一実施形態における時間経過に伴う冷却媒体の流量及びステンレス部材の最大温度差の変化を示し、同図（ａ）は時間経過に伴う冷却媒体の流量変化を示すグラフであり、同図（ｂ）はステンレス部材の最大温度差の変化を示すグラフである。 本発明に係る第二実施形態における動翼（ステンレス部材）及び被覆材の断面図である。 本発明に係る第二実施形態における冷却工程を示す説明図である。 本発明に係る第二実施形態における時間経過に伴う冷却媒体の流量及びステンレス部材の最大温度差の変化を示し、同図（ａ）は時間経過に伴う冷却媒体の流量変化を示すグラフであり、同図（ｂ）はステンレス部材の最大温度差の変化を示すグラフである。

以下、本発明に係る各種実施形態及び各種変形例について、図面を参照しつつ説明する。

「第一実施形態」
まず、本発明に係る第一実施形態について、図１〜図７を参照しつつ説明する。

本実施形態では、蒸気タービンの動翼を製造する。図２に示すように、蒸気タービンの動翼１０は、翼本体１１と、この翼本体１１の一方の端部である先端部１２に設けられているシュラウド１７と、この翼本体１１の他方の端部である基部１３に設けられているプラットホーム１８と、プラットホーム１８の他方側に設けられている翼根１９と、を有する。この動翼は、例えば、析出硬化型ステンレスで形成されている。

翼根１９は、蒸気タービンのロータ軸に装着される。このため、翼根１９は、ロータ軸が回転している際に、このロータ軸から外れぬよう、例えば、クリスマスツリー形状を成している。翼本体１１は、基部１３から先端部１２に向かう翼長方向Ｄａに対して垂直な断面形状が、図３に示すように、紡錘形を成している。より具体的には、翼本体１１の断面形状は、翼前端１４から翼後端１５に向かうに連れて翼厚さ寸法が次第に増加し、翼前端１４と翼後端１５との中央部あたりから、翼後端１５に向かうに連れて翼厚さ寸法が次第に減少する。

次に、図１に示すフローチャートに従って、以上で説明した動翼の製造方法について説明する。

まず、例えば、析出硬化型ステンレスで形成されたステンレス部材を例えば１０００℃以上に加熱して、鍛造により、図２に示す形状とほぼ同じ形状に加工する（Ｓ１：鍛造工程）。

次に、鍛造工程（Ｓ１）を経て常温まで冷却されたステンレス部材から、その外周に形成されているバリを取り除く（Ｓ２：バリ取り工程）。

次に、バリ取り工程（Ｓ２）を経たステンレス部材を再び加熱する（Ｓ３：加熱工程）。この加熱工程（Ｓ３）では、図４に示すように、バリ取り工程（Ｓ２）を経たステンレス部材１０ａを金属製の籠２０に入れてから、籠２０ごとステンレス部材１０ａを加熱炉２５内に入れる。籠２０は、外部から内部に空気を供給できるよう、多数の開口が形成されている。この加熱工程（Ｓ３）では、加熱炉２５内でステンレス部材１０ａを、例えば、１０００℃以上に加熱し、この温度を所定時間維持することで、このステンレス部材１０ａに対して溶体化処理を施す。

加熱工程（Ｓ３）が終了すると、図５に示すように、加熱炉２５から籠２０ごと加熱工程（Ｓ３）を経たステンレス部材１０ｂを取り出し、ファン３１で冷却媒体としての空気をステンレス部材１０ｂに送り、このステンレス部材１０ｂを強制冷却する（Ｓ４：冷却工程）。この冷却工程（Ｓ４）では、制御装置３０により、ファン３１の駆動量、つまりステンレス部材１０ｂに送る空気の流量を制御する。制御装置３０には、ファン３１の駆動量、及びファン３１の駆動量の変化タイミング（駆動開始からの時間）が予め設定されている。制御装置３０は、この設定値に基づいて、ファン３１を駆動制御する。

ここで、ステンレス部材１０ｂを形成する析出硬化型ステンレスの温度とひずみとの関係について、図６を用いて説明する。

常温での析出硬化型ステンレスは、組織構造がマルテンサイト相α’である。このマルテンサイト相α’における結晶構造は、体心立方格子である。この析出硬化型ステンレスは、加熱されて、例えば、６００℃程度になると、組織構造がマルテンサイト相α’からオーステナイト相γに徐々に相変態を開始する。この析出硬化型ステンレスは、さらに加熱されて、例えば、数十℃加熱されると、相変態が終了し、完全に、オーステナイト相γの組織構造となる。このオーステナイト相γにおける結晶構造は面心立方格子である。加熱時における相変態の開始温度である加熱時相変態開始温度Ａｓから、加熱時における相変態の終了温度である加熱時相変態終了温度Ａｆまでの温度域は、加熱時相変態温度域Ａｒである。析出硬化型ステンレスは、さらに、加熱されて、前述した溶体化処理を施す１０００℃以上の温度になっても、組織構造はオーステナイト相γである。

析出硬化型ステンレスは、常温から加熱時相変態開始温度Ａｓに至るまでの間、温度と熱ひずみとの関係はほぼ正比例の関係であり、温度上昇に伴って熱ひずみが増加する。つまり、析出硬化型ステンレスは、加熱時相変態開始温度Ａｓに至るまでの間、温度上昇に伴って体積膨張する。この析出硬化型ステンレスは、加熱時相変態温度域Ａｒでは、温度上昇に対して熱ひずみがあまり増加しない。つまり、析出硬化型ステンレスは、加熱時相変態温度域Ａｒでは、温度上昇に対して体積はほとんど増えない。マルテンサイト相α’の結晶構造である体心立方格子の体積に対して、オーステナイト相γの結晶構造である面心立方格子の体積は小さい。このため、マルテンサイト相α’からオーステナイト相γへの相変態中では、温度上昇しても体積はほとんど増えない。析出硬化型ステンレスは、加熱時相変態温度域Ａｒよりも高い温度域では、温度と熱ひずみとの関係はほぼ正比例の関係であり、温度上昇に伴って熱ひずみが増加する。

析出硬化型ステンレスは、前述した溶体化処理を施す１０００℃以上の温度から冷却されて、例えば、１５０℃程度になると、組織構造がオーステナイト相γからマルテンサイト相α’に徐々に相変態を開始する。この析出硬化型ステンレスは、さらに冷却されて、例えば、数十℃冷却されると、相変態が終了し、完全にマルテンサイト相α’の組織構造になる。冷却時における相変態の開始温度である冷却時相変態開始温度Ｍｓから、冷却時における相変態の終了温度である冷却時相変態終了温度Ｍｆまでの温度域は、冷却時相変態温度域Ｍｒである。

析出硬化型ステンレスは、前述した溶体化処理を施す１０００℃以上の温度から冷却時相変態開始温度Ｍｓに至るまでの間、温度と熱ひずみとの関係はほぼ正比例の関係であり、温度低下に伴って熱ひずみが減少する。この析出硬化型ステンレスは、冷却時相変態温度域Ｍｒでは、逆に、温度低下に対して熱ひずみが増加する。析出硬化型ステンレスは、冷却時相変態温度域Ｍｒよりも低い温度域では、温度と熱ひずみとの関係はほぼ正比例の関係であり、温度低下に伴って熱ひずみが減少する。

以上、析出硬化型ステンレスについて説明したが、マルテンサイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、オーステナイト・フェライト二層ステンレスも、析出硬化型ステンレスと基本的に同様に、加熱時及び冷却時に相変態が起こる。また、これらのステンレスの温度とひずみとの関係も、基本的に、析出硬化型ステンレスの温度とひずみとの関係と同様である。一方、背景技術の欄で説明した特許文献２で熱処理対象にしているアルミ合金部材は、常温から例えば溶体化処理を施す温度までの間で相変態は起こらない。

金属部材は、その形状に応じて、冷却され易い（言い換えると加熱され易い）部分と、冷却されにくい（言い換えると加熱されにくい）部分とがある。金属部材で冷却され易い部分は、具体的には、単位質量当たりの表面積が大きい大表面積部であり、金属部材で冷却されにくい部分は、単位質量当たりの表面積が小さい小表面積部である。例えば、本実施形態の場合、図３に示すように、翼本体１１における翼前端１４を含む翼前端部１４ａ及び翼後端１５を含む翼後端部１５ａは、これら翼前端部１４ａと翼後端部１５ａとの間の翼中央部に比べて、翼厚さ寸法が小さいため、単位質量当たりの表面積が大きい大表面積部Ａを成し、冷却され易い部分を成す。一方、翼前端部１４ａと翼後端部１５ａとの間の翼中央部は、単位質量当たりの表面積が小さい小表面積部Ｂを成し、冷却されにくい部分を成す。このような金属部材を加熱又は冷却すると、金属部材中に高温部と低温部とが生じる。この結果、金属部材を加熱又は冷却する過程で、金属部材中に熱応力が発生し、ひずみが生じる。

金属部材を加熱炉２５で加熱する場合、金属部材が配置されている加熱炉２５内の温度、つまり雰囲気温度の上昇に伴って、金属部材の温度が上昇する。一方、金属部材を加熱炉２５から出して冷却する場合、金属部材の温度に対して、その雰囲気温度が常温であり、金属部材の温度とその雰囲気温度との温度差が大きいため、加熱時の温度上昇率に対して冷却時の温度低下率の方が基本的に大きい。このため、加熱時には、金属部材中の高温部と低温部との温度差が小さいが、冷却時には金属部材中の高温部と低温部との温度差が大きくなる。よって、冷却時における金属部材中の高温部と低温部との温度差を抑えることが、熱応力の発生を抑え、ひずみの抑制につながる。

そこで、本実施形態の冷却工程（Ｓ４）では、前述したように、ステンレス部材１０ｂに送る空気の流量を制御する。

図７を用いて、本実施形態の冷却工程（Ｓ４）における冷却媒体の流量制御について説明する。

冷却工程（Ｓ４）が開始されると、制御装置３０は、ファン３１を駆動し、図７（ａ）に示すように、ファン３１の駆動開始から（ｔ０）、予め定めた第一時間経過するまで（ｔ１）、このファン３１の駆動量を徐々に増加させる。本実施形態では、ファン３１の駆動開始から（ｔ０）、予め定めた第一時間経過するまで（ｔ１）の間を第一の制御温度域Ｃ１とし、この第一の制御温度域Ｃ１では、ステンレス部材１０ｂに送られる単位時間当たりの冷却媒体（空気）の流量を徐々に増加させている。

制御装置３０は、ファン３１の駆動開始から（ｔ０）、予め定めた第一時間経過すると（ｔ１）、ファン３１の駆動量を一定にする。すなわち、制御装置３０は、ステンレス部材１０ｂに送られる単位時間当たりの空気流量を一定にする。この単位時間当たりの空気流量を一定にするタイミング、言い換えると、第一の制御温度域Ｃ１の終了タイミングは、ステンレス部材１０ｂの温度が冷却時相変態開始温度Ｍｓに至る前である。

制御装置３０は、ファン３１の駆動開始から（ｔ０）、予め定めた第二時間経過すると（ｔ２）、ファン３１の駆動量を急激に小さくしてから、この駆動量を維持する。すなわち、制御装置３０は、ファン３１の駆動開始から（ｔ０）、予め定めた第二時間経過すると（ｔ２）、ステンレス部材１０ｂに送られる単位時間当たりの空気流量を急激に少なくし、この空気流量を維持する。この単位時間当たりの空気流量を急激に少なくするタイミング（ｔ２）は、ステンレス部材１０ｂの温度が冷却時相変態開始温度Ｍｓに至る時刻（ｔ３）の直前である。

制御装置３０は、ファン３１の駆動量を急激に小さくしてから（ｔ２）、予め定めた第三時間経過すると（ｔ５）、ファン３１の駆動量を急激に大きくし、ファン３１の駆動量を急激に小さくした時刻（ｔ２）以前の駆動量に戻す。すなわち、制御装置３０は、単位時間当たりの空気流量を急激に少なくしてから（ｔ２）、予め定めた第三時間経過すると（ｔ５）、単位時間当たりの空気流量を急激に増やし、空気流量を急激に少なくした時刻（ｔ２）以前の空気流量に戻す。この単位時間当たりの空気流量を急激に増やすタイミング（ｔ５）は、ステンレス部材１０ｂの温度が冷却時相変態終了温度Ｍｓに至った時刻（ｔ４）の直後である。

本実施形態では、冷却時相変態温度域Ｍｒを含む温度域、つまり、冷却時相変態開始温度Ｍｓよりも僅かに高い温度から冷却時相変態終了温度Ｍｆよりも僅かに低い温度の温度域を第二の制御温度域Ｃ２としている。本実施形態では、第二の制御温度域Ｃ２に至る直前及び第二の制御温度域Ｃ２を過ぎた直後よりも、第二の制御温度域Ｃ２の空気流量を少なくしている。

制御装置３０は、ファン３１の駆動量を急激に大きくすると（ｔ５）、以降、大きくなったファン３１の駆動量を維持する。すなわち、制御装置３０は、単位時間当たりの空気流量を急激に増やすと（ｔ５）、以降、増えた単位時間当たりの空気流量を維持する。

ステンレス部材１０ｂを加熱炉２５から出して、このステンレス部材１０ｂにファン３１かる空気を送り始めると、ステンレス部材１０ｂの雰囲気温度が急激低下する。さらに、仮に、図７（ａ）中で二点破線で示すように、冷却工程（Ｓ４）の開始時から、単位時間当たりの空気流量が一定で、しかもその空気流量が多ければ、ステンレス部材１０ｂの温度は、急激に低下する。

ステンレス部材１０ｂの温度が急激に低下すると、ステンレス部材１０ｂの大表面積部Ａと小表面積部Ｂとの温度差が大きくなり、大きなひずみが生じる。そこで、本実施形態では、冷却工程（Ｓ４）の開始時刻ｔ０から第一時間経過するまで（ｔ１）の第一の温度制御域Ｃ１では、ファン３１の駆動量を徐々に増加させている。このため、初期冷却時間帯である第一の温度制御域Ｃ１でのステンレス部材１０ｂの最大温度差は、図７（ｂ）中で二点破線で示すように、冷却工程（Ｓ４）の開始時から、単位時間当たりの空気流量が一定で、しかもその空気流量が多い場合と比べて、本実施形態の方が小さくなり、この初期冷却時間帯におけるひずみを抑えることができる。

相変態中のステンレス部材１０ｂは、相変態していない状態でのステンレス部材１０ｂよりも、小さい応力で大きなひずみが生じる。このため、相変態していない状態でのステンレス部材１０ｂの大表面積部Ａと小表面積部Ｂとの温度差よりも、相変態中のステンレス部材１０ｂの大表面積部Ａと小表面積部Ｂとの温度差を小さくして、相変態中における熱応力の発生を抑えることが好ましい。

そこで、本実施形態では、図７（ａ）を用いて前述したように、冷却時相変態温度域Ｍｒを含む第二の制御温度域Ｃ２に至る直前及び第二の制御温度域Ｃ２を過ぎた直後よりも、第二の制御温度域Ｃ２の空気流量を少なくしている。このため、本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、冷却時相変態温度域Ｍｒを含む第二の制御温度域Ｃ２での最大温度差が、第二の制御温度域Ｃ２に至る直前及び第二の制御温度域Ｃ２を過ぎた直後よりも小さくなり、相変態中の熱応力の発生を抑えることができる。よって、本実施形態では、相変態中におけるひずみを抑えることができる。

冷却工程（Ｓ４）が終了し、ステンレス部材１０ｂが常温になると、このステンレス部材１０ｂに対して仕上げ加工を施す（Ｓ５：仕上工程）。この仕上工程（Ｓ５）では、ステンレス部材１０ｂの各部の寸法が許容寸法の範囲内になるよう、ステンレス部材１０ｂに対して研削又は研磨等の機械加工を施す。さらに、必要に応じて、機械加工後のステンレス部材１０ｂの表面を表面処理する。

以上で、鍛造品としての動翼が完成する。

以上のように、本実施形態では、冷却工程（Ｓ４）において、ステンレス部材１０ｂの温度が急激に変化する初期冷却時間帯、及び変形し易くなっている相変態中での空気流量を制御することで、初期冷却時間帯及び相変態中のひずみを小さくしている。よって、本実施形態では、冷却工程（Ｓ４）終了後におけるステンレス部材１０ｂのひずみ及び残留応力を小さくすることができる。

本実施形態では、冷却工程（Ｓ４）終了後に、ステンレス部材１０ｂに対して機械加工等を施す仕上工程（Ｓ５）を実行する。この機械加工前におけるステンレス部材１０ｂの残留応力があると、機械加工で残留応力が解放されて、この残留応力の解放に伴うひずみが発生する。本実施形態では、前述したように、冷却工程（Ｓ４）終了後におけるステンレス部材１０ｂの残留応力を小さくすることができるので、機械加工で残留応力が解放されても、この残留応力の解放に伴うひずみを小さくすることができる。

ここで、本実施形態の制御装置３０は、ファン３１の駆動開始からの予め定められている時間が経過すると、ファン３１の駆動量の変化タイミングであるとして、ファン３１の駆動量を変化させている。しかしながら、本実施形態において、図５に示すように、冷却工程（Ｓ４）中のステンレス部材１０ｂの温度を検知する温度センサ３９を設け、制御装置３０は、この温度センサ３９で検知されたステンレス部材１０ｂの温度が予め定められた温度になると、ファン３１の駆動量の変化タイミングであるとして、ファン３１の駆動量を変化させてもよい。ステンレス部材１０ｂの予め定められた温度としては、第一の温度制御域Ｃ１の制御終了温度、第二の温度制御域Ｃ２の制御開始温度及び制御終了温度がある。第二の温度制御域Ｃ２の制御開始温度は、ステンレス部材１０ｂの温度が冷却時相変態開始温度Ｍｓよりも僅かに高い温度である。また、第二の温度制御域Ｃ２の制御終了温度は、ステンレス部材１０ｂの温度が冷却時相変態終了温度Ｍｆよりも僅かに低い温度である。これらの温度を検知する温度センサ３９としては、例えば、非接触式赤外温度計や熱電対等がある。

「第二実施形態」
次に、本発明に係る第二実施形態について、図８〜図１０を参照しつつ説明する。

本実施形態でも、第一実施形態と同様、蒸気タービンの動翼を製造する。また、本実施形態でも、第一実施形態と同様、鍛造工程（Ｓ１）、バリ取り工程（Ｓ２）、加熱工程（Ｓ４）、冷却工程（Ｓ４）、仕上工程（Ｓ５）を実行することで、蒸気タービンの動翼を製造する。但し、本実施形態では、冷却工程（Ｓ４）におけるステンレス部材１０ｂの冷却手法が第一実施形態と異なる。

本実施形態の冷却工程（Ｓ４）では、冷却対象であるステンレス部材１０ｂ中の大表面積部Ａを被覆材４０で覆って、この大表面積部Ａの冷却を抑制する。具体的に、本実施形態では、図８に示すように、鍛造された動翼の中間品であるステンレス部材１０ｂ中、翼本体１１ｂにおける翼前端１４を含む翼前端部１４ａ及び翼後端１５を含む翼後端部１５ａは、いずれも単位質量当たりの表面積が大きい大表面積部Ａを成す。本実施形態では、この大表面積部Ａを前述したように被覆材４０で覆う。但し、本実施形態では、図９に示すように、翼本体１１の翼前端部１４ａであって、翼本体１１の翼長方向Ｄａの中間部のみを被覆材４０で覆う。同様に、翼本体１１の翼後端部１５ａであって、翼本体１１の翼長方向Ｄａの中間部のみを被覆材４０で覆う。これは、翼本体１１の基部１３側の翼前端部１４ａ及び翼後端部１５ａは、翼長方向Ｄａの中間部から先端部１２における翼前端部１４ａ及び翼後端部１５ａよりも熱ひずみが小さいからである。さらに、翼本体１１の中間部におけるひずみは、先端部１２にも変位として反映されるのに対して、先端部１２におけるひずみは、中間部側には反映されず、しかも、容易に修正可能だからである。

被覆材４０は、被覆材４０で覆われていない小表面積部Ｂからの放熱量に対して、この被覆材４０で覆った大表面積部Ａからの放熱量が近づくようにして、小表面積部Ｂと大表面積部Ａとの温度差を小さくするための役目を担う。このため、被覆材４０は、上記役目を担うことができれば、如何なる材料で形成されていてもよく、断熱材、鋼、アルミニウム合金、ステンレス等のいずれでもよい。

本実施形態の冷却工程（Ｓ４）でも、図９に示すように、ファン３１を駆動して、ステンレス部材１０ｂを強制冷却する。但し、本実施形態において、冷却工程（Ｓ４）の開始から終了までの間、ステンレス部材１０ｂに送る単位時間当たりの空気の流量は、図１０（ａ）に示すように、一定である。

しかしながら、本実施形態では、ステンレス部材１０ｂ中の冷却し易い部分である大表面積部Ａを被覆材４０で覆っているので、大表面積部Ａの放熱量が小表面積部Ｂの放熱量に近づき、ステンレス部材１０ｂにおける最大温度差（実線で示す）は、図１０（ｂ）に示すように、この大表面積部Ａを被覆材４０で覆わず且つステンレス部材１０ｂに送る単位時間当たりの空気の流量を一定にした場合のステンレス部材１０ｂにおける最大温度（二点鎖線で示す）よりも小さくすることができる。

よって、本実施形態でも、第一実施形態と同様、冷却工程（Ｓ４）において、ステンレス部材１０ｂの温度が急激に変化する初期冷却時間帯、及び変形し易くなっている冷却時相変態温度域Ｍｒを含む温度域でのひずみを小さくすることができる。このため、本実施形態でも、冷却工程（Ｓ４）終了後におけるステンレス部材１０ｂのひずみ及び残留応力を小さくすることができる。

ここで、被覆材４０を加熱工程（Ｓ４）の開始前のステンレス部材に取り付けてもよい。この場合、冷却工程（Ｓ４）の開始時において、ステンレス部材１０ｂと被覆材４０との間の温度差を実質的に無くすことができ、被覆材４０の取付時における温度差に基づく熱ひずみの発生を抑えることができる。さらに、被覆材４０は、冷却対象であるステンレス部材１０ｂと同じ材料であってもよい。この場合、冷却対象と被覆材４０の熱膨張率が同一になり、冷却過程で冷却対象と被覆材４０とが一体的に収縮し、冷却対象と被覆材４０との間の熱伝導をほぼ一定にできる。さらに、熱膨張率を除く熱伝導率等の熱的性質も、冷却対象と被覆材４０とで同一になる。このため、この場合、被覆材４０で覆われていない小表面積部Ｂからの放熱量と、この被覆材４０で覆った大表面積部Ａからの放熱量とをほぼ同じする被覆材４０の各種寸法決定を容易に行うことができる。

また、ここでは、冷却工程（Ｓ４）の開始から終了までの間、ステンレス部材１０ｂに送る単位時間当たりの空気の流量を一定にしている。しかしながら、本実施形態においても、第一実施形態と同様、ステンレス部材１０ｂの温度が急激に変化する初期冷却時間帯、及び変形し易くなっている相変態中での空気流量を制御してもよい。

「変形例」
以上の実施形態は、鍛造工程（Ｓ１）を経た後に、加熱工程（Ｓ３）及び冷却工程（Ｓ４）を実行する。しかしながら、鍛造工程（Ｓ１）の替りに圧延工程を実行し、この圧延工程及び加熱工程を経た後に、以上と同様の冷却工程を実行してもよい。さらに、鍛造工程や圧延工程を経ずに、加熱工程及び冷却工程を実行してもよい。

また、以上の実施形態は、蒸気タービンの動翼１０が製造対象である。しかしながら、加熱工程及び冷却工程を施すステンレス部材であれば、如何なるものを対象にしてもよい。

以上の実施形態は、析出硬化型ステンレスでステンレス部材を形成する例である。しかしながら、前述したように、マルテンサイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、オーステナイト・フェライト二層ステンレスも、析出硬化型ステンレスと基本的に同様に、加熱時及び冷却時に相変態が起こるので、これらでステンレス部材を形成する場合も、以上の実施形態と同様に冷却工程を実行してもよい。

１０：動翼、１０ａ，１０ｂ：ステンレス部材、１１，１１ｂ：翼本体、１４：翼前端、１５：翼後端、３１：ファン、３０：制御装置、４０：被覆材、Ａ：大表面積部、Ｂ：小表面積部

Claims (11)

1. ステンレス部材を相変態する加熱時相変態温度域以上の温度にまで加熱する加熱工程と、
   前記加熱工程で加熱された前記ステンレス部材を相変態する冷却時相変態温度域未満の温度にまで冷却する冷却工程と、
   を実行し、
   前記冷却工程では、前記冷却時相変態温度域を含む制御温度域での前記ステンレス部材の冷却を抑制すると共に、前記ステンレス部材中で単位質量当たりの表面積が大きい部分である大表面積部に、前記大表面積部を覆う被覆材を設け、
   前記被覆材は、前記ステンレス部材と同じ材料で形成する、
   ステンレス部材の熱処理方法。
2. 前記冷却工程では、前記ステンレス部材に冷却媒体を供給する、
   請求項１に記載のステンレス部材の熱処理方法。
3. 前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の単位時間当たりの流量は、前記制御温度域に至る直前及び前記制御温度域を過ぎた直後よりも、前記制御温度域の方が少ない、
   請求項２に記載のステンレス部材の熱処理方法。
4. 前記冷却工程で前記ステンレス部材の冷却を開始してから、前記ステンレス部材の温度が前記冷却時相変態温度域に至るまでの時間を予め把握しておき、
   前記冷却工程では、前記ステンレス部材の冷却を開始してから、予め把握した前記時間経過する前に、前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の流量を少なくする、
   請求項３に記載のステンレス部材の熱処理方法。
5. 前記冷却時相変態温度域における相変態開始温度を予め把握しておき、
   前記冷却工程では、前記ステンレス部材が前記相変態開始温度に至る前に、前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の流量を少なくする、
   請求項３に記載のステンレス部材の熱処理方法。
6. 前記冷却工程を開始してから予め定めた時間が経過するまで、又は前記冷却工程を開始してから前記ステンレス部材が予め定めた温度になるまで、前記ステンレス部材に供給する前記冷却媒体の流量を徐々に増やす、
   請求項２から５のいずれか一項に記載のステンレス部材の熱処理方法。
7. 前記被覆材で覆っていない部分における単位質量当たりの放熱量に、前記被覆材で覆った前記大表面積部の単位質量当たりの放熱量を近づける、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のステンレス部材の熱処理方法。
8. 前記加熱工程の開始前に
   、前記ステンレス部材に前記被覆材を設ける、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のステンレス部材の熱処理方法。
9. 前記ステンレス部材は、析出硬化型ステンレスで形成されている、
   請求項１から８のいずれか一項に記載のステンレス部材の熱処理方法。
10. ステンレス部材を鍛造により所定形状に加工する鍛造工程を実行した後、
    前記鍛造工程を経た前記ステンレス部材に対して、請求項１から９のいずれか一項に記載のステンレス部材の熱処理方法を実行する、
    ステンレス鍛造品の製造方法。
11. 前記ステンレス鍛造品は、蒸気タービンの翼である、
    請求項１０に記載のステンレス鍛造品の製造方法。

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