JP7112317B2 - オーステナイト鋼焼結材およびタービン部材 - Google Patents

オーステナイト鋼焼結材およびタービン部材 Download PDF

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Description

本発明は、オーステナイト鋼焼結材およびタービン部材に関する。
昨今、石炭火力発電プラントの高効率化を目指して、蒸気温度の高温化が進んでいる。現在運転されている石炭火力発電プラントのうち、蒸気温度６２０℃級が最も蒸気温度の高い蒸気タービン（ＵＳＣ：Ｕｌｔｒａ Ｓｕｐｅｒ Ｃｒｉｔｉｃａｌ（超々臨界圧発電））として運転されているが、ＣＯ２排出を抑制すべく、今後さらに高温化が進むと考えられる。これまで蒸気タービンの高温部材として９Ｃｒ系および１２Ｃｒ系の耐熱フェライト鋼等が用いられてきたが、蒸気温度の高温化に伴い、これらの適用が難しくなると考えられている。
高温部材に適用する合金として、フェライト鋼よりも耐用温度の高いＮｉ基合金が候補となりうる。Ｎｉ基合金は、ＡｌやＴｉを析出強化元素とし、高温で安定相となるγ´相を生成して高温で優れた強度を示す。しかしながら、タービンバルブケーシングやタービンディスク等については、一般的には鋳造法で製造されるが、鋳造法では溶解中の空気との遮断が十分でなく、活性な元素（ＡｌやＴｉ）が多いとこれらの元素が酸化してしまう。
Ｎｉ基合金に代えて、優れた強度と鋳造性を両立するオーステナイト鋼およびそれを用いたオーステナイト鋼鋳造品をタービン部材に適用する技術が特許文献１に開示されている。
特開２０１７－８８９６３号公報
上述した特許文献１は、大型の鋳造品におけるマクロ欠陥を低減したオーステナイト鋼の組成を提案するものであるが、鋳造品に使用される金型の製造は、比較的手間がかかるものである。特に、大型で複雑な形状を有する鋳造品用の型になると、プロセスコストが増加する。したがって、鋳造ではなく、焼結によって部材を得ることができれば、タービン部材の製造性をさらに高めることができる。
本発明は、上記事情に鑑み、Ｎｉ基合金と同等以上の強度を有し、かつ、酸素の影響を受けにくいオーステナイト鋼焼結材およびタービン部材を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、質量％で、Ｎｉ：２５～５０％、Ｃｒ：１２～２５％、Ｎｂ：３～６％、Ｂ：０．００１～０．０５％、Ｔｉ：０．３～１．６％、Ｗ：６％以下、Ｍｏ：４．８％以下、Ｚｒ：０．５％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるオーステナイト鋼焼結材である。
上記課題を解決するための第２の態様は、質量％で、Ｎｉ：３０～４５％、Ｃｒ：１２～２０％、Ｎｂ：３～５％、Ｂ：０．００１～０．０２％、Ｔｉ：０．３～１．３％、Ｗ：５．５％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｚｒ：０．３％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるオーステナイト鋼焼結材である。
上記課題を解決するための第３の態様は、質量％で、Ｎｉ：３０～４０％、Ｃｒ：１５～２０％、Ｎｂ：３．５～４．５％、Ｂ：０．００１～０．０２％、Ｔｉ：０．５～１．１％、Ｗ：５．５％以下、Ｚｒ：０．３％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるオーステナイト鋼焼結材である。
上記課題を解決するための第４の態様は、オーステナイト鋼焼結材を用いたタービン部材である。
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
本発明によれば、Ｎｉ基合金と同等以上の強度を有し、かつ、酸素の影響を受けにくいオーステナイト鋼焼結材およびタービン部材を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明のオーステナイト鋼焼結材の組織の一例の模式図 本発明のオーステナイト鋼焼結材の組織の一例のＳＥＭ観察写真 特許文献１のオーステナイト鋼鋳造材の組織の一例の模式図 従来のＮｉ基合金鍛造材の組織の一例の模式図 本発明のオーステナイト鋼焼結材が適用されるタービンバルブケーシングの一例を示す模式図 本発明のオーステナイト鋼焼結材が適用されるタービンディスクの一例を示す模式図 実施例１～３および比較例１～４の０．２％耐力比（比較例６基準）を示すグラフ 実施例１～３および比較例１～４のクリープ耐用温度比（比較例５基準）を示すグラフ 実施例１、３および比較例１、３、４の０．２％耐力比およびリープ耐用温度比を示すグラフ
以下、図面を用いながら、本発明について詳細に説明する。
［オーステナイト鋼焼結材］
図１Ａは本発明のオーステナイト鋼焼結材の組織の一例の模式図であり、図１Ｂは本発明のオーステナイト鋼焼結材の組織の一例のＳＥＭ観察写真である。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本発明のオーステナイト鋼焼結材は、オーステナイト鋼結晶１と、隣り合うオーステナイト鋼結晶の境界に存在する結晶粒界２と、結晶粒界２上に析出したラーベス相３を有する。
オーステナイト鋼結晶１の平均粒径は、１０～３００μｍが好ましい。１０μｍよりも小さいと、クリープ強度が十分ではなくなる恐れがある。３００μｍよりも大きいと、引張強さおよび疲労強度が十分ではなくなる恐れがある。また、粒界の総量が変化することで、ラーベス相の粒界被覆率が変化し、強度（クリープ強度、引張強さおよび疲労強度等）が低下する恐れがある。上記「粒径」は、電子顕微鏡等の観察手段で観察した場合に平面像で測定することができる。また、「平均粒径」は、所定の倍率の観察写真において表示される所定の個数のオーステナイト鋼結晶１の粒径を平均した値とすることができる。
上記本発明のオーステナイト鋼焼結材の組織との比較として、特許文献１の鋳造組織と、従来のＮｉ基合金（Ａｌｌｙ７１８）の組織についても説明する。図２は特許文献１のオーステナイト鋼鋳造材の組織の一例の模式図である。図２に示すように、オーステナイト鋼鋳造材は、オーステナイト鋼結晶４と、隣り合うオーステナイト鋼結晶の境界に存在する結晶粒界５と、結晶粒界２上に析出したラーベス相６を有する。鋳造組織は、結晶粒界が少なく、結晶の粒径や形状が均質ではない。また、鋳造組織は焼結材の組織よりもミクロ偏析が大きくなる。部材が大きくなればなるほどミクロ偏析が大きくなると考えられ、ミクロ偏析に起因する欠陥の発生や強度の低下が生じやすくなる恐れがある。一方、焼結材は、部材の大きさによらず均質な組織が形成されるため、ミクロ偏析は生じにくくなる。
図３は従来のＮｉ基合金鍛造材（Ａｌｌｙ７１８）の組織の一例の模式図である。図３に示すように、Ｎｉ基合金鍛造材は、Ｎｉ基合金結晶７と、隣り合うＮｉ基合金結晶の境界に存在する旧粒子境界（ＰＰＢ）８と、旧粒子境界（ＰＰＢ）８上に析出したデルタ相９を有する。
図１～図３を比較してわかるように、本発明のオーステナイト鋼焼結材の組織と、従来のオーステナイト鋼鋳造材およびＮｉ基合金の組織は、明確に区別されるものである。
以下に、本発明のオーステナイト鋼焼結材の組成について説明する。以下の組成の説明において、「％」は、特に断りが無ければ「質量％」を意味するものとする。
Ｎｉ（ニッケル）：２５～５０％
Ｎｉはオーステナイト安定化元素として添加される。また、後述するＮｂと金属間化合物（δ相、Ｎｉ３Ｎｂ）を生成し、粒内に析出することで、粒内強化に寄与する。相安定の観点から、Ｎｉは２５～５０％（２５％以上５０％以下）が好ましく、３０～４５％がより好ましく、３０～４０％がさらに好ましい。
Ｃｒ（クロム）：１２～２５％
Ｃｒは耐酸化性および耐水蒸気酸化性を向上させる元素である。蒸気タービンの運転温度を考慮し、１２％以上添加することで十分な耐酸化性を得ることができる。また、２５％より多く添加すると、σ相などの金属間化合物が析出し、高温延性や靱性の低下を招く。これらのバランスを考慮すると、Ｃｒ量は１２～２５％が好ましく、１２～２０％がより好ましく、１５～２０％がさらに好ましい。
Ｎｂ（ニオブ）：３～６％
Ｎｂは、ラーベス相（Ｆｅ２Ｎｂ）及びδ相（Ｎｉ３Ｎｂ）の安定化のために添加される。ラーベス相は、図１に示すように主に粒界に析出し、粒界強化に寄与する。δ相は主に粒内に析出し、強化に寄与する。３％以上添加することで、十分な高温クリープ強度を得ることができる。６％より多く添加すると、δ相等の有害相が析出しやすくなる可能性がある。より十分な強度を得るためには、Ｎｂ量は３～６％が好ましく、３～５％がより好ましく、３．５～４．５％がさらに好ましい。
Ｂ（ホウ素）：０．００１～０．０５％
Ｂは粒界におけるラーベス相の析出に寄与する。Ｂが添加されない場合、粒界のラーベス相が析出しにくくなり、クリープ強度やクリープ延性が低下する。０．００１％以上の添加で粒界析出の効果が得られる。一方、添加量が多すぎると、局所的に融点が下がり、例えば溶接性の低下が懸念される。このことを考慮すると、Ｂ量は０．００１～０．０５％が好ましく、０．００１～０．０２％がより好ましい。
Ｔｉ（チタン）：０～１．６％
Ｔｉは、γ´´相やδ相といった、粒内析出強化に寄与する元素である。適度に添加することで、初期におけるクリープ変形を大幅に下げることができる。しかし、過剰に添加しすぎると、製造中の酸化の影響を受け、機械的特性に悪影響を及ぼす。このことを考慮すると、Ｔｉは１．６％以下が好ましく、０．３～１．３％がより好ましく、０．５～１．１％がさらに好ましい。
Ｗ（タングステン）：０～６％
Ｗは固溶強化の他に、ラーベス相の安定化に寄与する。Ｗの添加により、粒界に析出するラーベス相の析出量が増量し、長時間におけるクリープ特性において、破断強度や延性の向上に寄与できる。６％を超えると、δ相等の有害相が析出しやすくなる可能性がある。このことを考慮すると、Ｗは６％以下が好ましく、５．３～６％以下がより好ましく、５．５～５．５％がさらに好ましい。
Ｍｏ（モリブデン）：０～４．８％
Ｍｏは固溶強化の他に、ラーベス相の安定化に寄与する。Ｍｏの添加により、粒界に析出するラーベス相の析出量が増量し、長時間におけるクリープ特性において、破断強度や延性に寄与できる。このことを考慮すると、Ｍｏは０～４．８％が好ましく、０～２％以下がより好ましい。
Ｚｒ（ジルコニウム）：０～０．５％
ＺｒはＢと同様、粒界のラーベス相の析出に寄与するほか、γ´´相（Ｎｉ３Ｎｂ）の析出に寄与する。短時間もしくは低温（７５０℃未満、望ましくは７００℃以下）では特に効果的である。しかし、準安定相であるため、長時間高温（特に７５０℃以上）で保持することでδ相に変化してしまう。したがって、添加しなくてもよい。添加量が多すぎると、δ相の安定性が向上し、γ´´相がδ相に早く変化してしまう。また、溶接性が悪化する。このことを考慮すると、Ｚｒは０～０．５％が好ましく、０～０．３％以下がより好ましい。
本発明のオーステナイト鋼焼結材は、上述した通り、ＮｂおよびＴｉを主な強化元素として含み、Ａｌを強化元素として含まない。このため、酸素による酸化等の影響を受けにくく、強度を向上することができる。
また、焼結材は鍛造組織であり、熱処理等で結晶粒径を制御することで、製品の要求強度に合わせて強度特性を容易に制御することができる。
さらに、焼結材の型は鋳造材の鋳型よりも製造が容易なため、複雑な製品形状でも歩留まり良く製造することができる。
［オーステナイト鋼焼結材の製造方法］
次に、本発明のオーステナイト鋼焼結材の製造方法を説明する。本発明のオーステナイト鋼焼結材は、例えば以下の工程によって製造することができる。
（１）上述した組成を有する原料粉末または原料合金をガスアトマイズ法や水アトマイズ法を用いて平均粒径２５０μｍ以下の合金粉末とする。
（２）上記（１）で得られた合金粉末を、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）によって焼結する。焼結条件は、例えば焼結温度：１１００～１３００℃、等方圧：５０ＭＰａ以上とする。
焼結は、ＨＩＰに代えて、異方圧力下でのホットプレスや、金属粉末射出成型法（ＭＩＭ）を用いても良い。また、焼結後に溶体化熱処理（熱処理温度：１１００～１３００℃）、時効熱処理（熱処理温度：１０００℃以下）を施しても良い。
［オーステナイト鋼焼結材を用いたタービン部材］
図４は本発明のオーステナイト鋼焼結材が適用されるタービンバルブケーシングの一例を示す模式図であり、図５は本発明のオーステナイト鋼焼結材が適用されるタービンディスクの一例を示す模式図である。図４に示すように、本発明のオーステナイト鋼焼結材は、優れた強度を有するため、タービンバルブケーシング１０やタービンディスク１１に好適である。
以下、実施例に基づいて、本発明についてより詳細に説明する。
［オーステナイト鋼焼結材の作製および評価］
実施例１～３および比較例１～２の焼結材を作製し、評価を行った。実施例１～３および比較例１～２の組成を、後述する表１に示す。表１に示す組成を有するマスターインゴットまたは原料を準備し、ガスアトマイズ法によって粒径２５０μｍ以下の合金粉末を作製した。得られた合金粉末を、ＨＩＰ（焼結温度：１１６０℃、等方圧：１００ＭＰａ）によって焼結し、実施例１～３および比較例１～２の焼結材を作製した。比較例１はＣｒ量が本発明の範囲外であり、比較例２はＮｉ量が本発明の範囲外の組成を有している。
比較例３としてＮｉ基合金であるＡｌｌｏｙ（ＩＮＣＯＮＥＬ）７１８（鍛造材）と、比較例４としてＮｉ基合金であるＡｌｌｏｙ（ＩＮＣＯＮＥＬ）６２５（鋳造材）も準備し、評価を行った。比較例３および比較例４の組成も表１に併記する。「ＩＮＣＯＮＥＬ」は、ハンティントンアロイズコーポレイションの登録商標である。
Figure 0007112317000001
実施例１～３および比較例１～４について、０．２％耐力およびクリープ耐用温度を評価した。０．２％耐力はＪＩＳ Ｇ ０５６７に基づき、クリープ試験はＪＩＳ Ｚ ２２７６１に基づき試験を行った。
図６は実施例１～３および比較例１～４の０．２％耐力比（比較例４基準）を示すグラフである。図６に示すように、実施例１および３のいずれもの焼結材も、比較例１、２および４よりも高い値を示し、従来の比較例３（Ａｌｌｏｙ７１８）と同等以上の０．２％耐力比を示した。
図７は実施例１～３および比較例１～４のクリープ耐用温度比（比較例３基準）を示すグラフである。図７に示すように、実施例１～２のいずれもの焼結材も、比較例１～３よりも高い値を示し、従来の比較例４（Ａｌｌｏｙ６２５）と同等以上の０．２％耐力比を示した。
図６および図７より、実施例２は、０．２％耐力比は比較例２～４よりもやや低いが、クリープ耐用温度は比較例２～４よりも大きくなっており、０．２％耐力比およびクリープ耐用温度の両方を総合して判断すると、比較例よりも優れていると言える。
また、図６および図７より、実施例３は、クリープ耐用温度は比較例４よりもやや低いが、０．２％耐力比は比較例４よりもはるかに大きくなっており、０．２％耐力比およびクリープ耐用温度の両方を総合して判断すると、比較例よりも優れていると言える。
図８は実施例３および比較例１、３、４の０．２％耐力比およびクリープ耐用温度比を示すグラフである。図８に示すように、実施例１および３は、０．２％耐力比およびクリープ耐用温度比のいずれも比較例１よりも大きい値を示している。また、０．２％耐力比に関して、実施例１および３は、比較例４（Ａｌｌｏｙ６２５）より大きく、比較例３（Ａｌｌｏｙ７１８）と同等のレベルを達成している。さらに、クリープ耐用温度比に関して、実施例１および３は比較例３（Ａｌｌｏｙ７１８）よりも大きい。特に、実施例１に関しては、比較例４（Ａｌｌｏｙ６２５）と同等のレベルを達成している。
一般的に０．２％耐力とクリープ耐用温度はトレードオフの関係、すなわち、０．２％耐力が高くなるとクリープ耐用温度は低くなり、クリープ耐用温度が高くなると、０．２％耐力は低くなるという挙動を示す。実施例１および実施例３は、いずれも、比較例３および比較例４を結ぶ直線よりも右上に位置することから、０．２％耐力比およびクリープ耐用温度の両方を総合して判断すると、比較例３および比較例４よりも優れていると言える。
以上、説明したように、本発明によれば、Ｎｉ基合金と同等以上の強度を有し、かつ、酸素の影響を受けにくいオーステナイト鋼焼結材およびタービン部材を提供できることが示された。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１，４…オーステナイト鋼結晶、２，５…結晶粒界、３，６…ラーベス相、７…Ｎｉ基合金鍛造材（Ａｌｌｏｙ７１８）の母相、８…旧粒子境界（ＰＰＢ）、９…デルタ相、１０…、タービンバルブケーシング、１１…タービンディスク。

Claims (8)

  1. 質量％で、Ｎｉ：２５～５０％、Ｃｒ：１２～２５％、Ｎｂ：３～６％、Ｂ：０．００１～０．０５％、Ｔｉ：０．３～１．６％、Ｗ：６％以下、Ｍｏ：４．８％以下、Ｚｒ：０．５％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるオーステナイト鋼焼結材。
  2. 質量％で、Ｎｉ：３０～４５％、Ｃｒ：１２～２０％、Ｎｂ：３～５％、Ｂ：０．００１～０．０２％、Ｔｉ：０．３～１．３％、Ｗ：５．５％以下、Ｍｏ：２％以下、Ｚｒ：０．３％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるオーステナイト鋼焼結材。
  3. 質量％で、Ｎｉ：３０～４０％、Ｃｒ：１５～２０％、Ｎｂ：３．５～４．５％、Ｂ：０．００１～０．０２％、Ｔｉ：０．５～１．１％、Ｗ：５．５％以下、Ｚｒ：０．３％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避の不純物からなるオーステナイト鋼焼結材。
  4. 前記オーステナイト鋼焼結材中のオーステナイト鋼結晶の平均粒径が１０～３００μｍである請求項１から３のいずれか１項に記載のオーステナイト鋼焼結材。
  5. 前記オーステナイト鋼焼結材の結晶粒界にラーベス相が析出している請求項１から３のいずれか１項に記載のオーステナイト鋼焼結材。
  6. 前記ラーベス相がＦｅ２Ｎｂからなる請求項５に記載のオーステナイト鋼焼結材。
  7. 請求項１から３のいずれか１項に記載のオーステナイト鋼焼結材を用いたタービン部材。
  8. 前記タービン部材が、タービンバルブケーシングまたはタービンディスクである請求項７に記載のタービン部材。
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