JP7315454B2 - タービンロータ材料 - Google Patents
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Description
「焼入れ性が高い」とは、焼入れ処理が容易となる性質が強いことを意味する。
以下、本開示のタービンロータ材料について順に説明する。
本開示のタービンロータ材料における炭素(C)の含有率は、0.18質量%以上0.28質量%以下である。
特に、上記Cの含有率は、0.20質量%以上が好ましい。
本開示のタービンロータ材料におけるケイ素(Si)の含有率は、0質量%以上0.25質量%以下である。
本開示のタービンロータ材料におけるマンガン(Mn)の含有率は、0.10質量%以上1.20質量%以下である。
本開示のタービンロータ材料におけるニッケル(Ni)の含有率は、0.50質量%以上1.20質量%以下である。
タービンロータ材料におけるクロム(Cr)の含有率は、1.80質量%以上2.80質量%以下である。
本開示のタービンロータ材料におけるモリブデン(Mo)の含有率は、0.30質量%以上1.20質量%以下である。
本開示のタービンロータ材料におけるバナジウム(V)の含有率は、0.35質量%を超え0.43質量%以下である。
まず、低合金鋼が腐食環境下に暴露されると、低合金鋼と腐食性の物質との反応(腐食反応)により水素が発生する。発生した水素は、低合金鋼のマトリクスに取り込まれる。マトリクス中の水素は、マトリクス中に拡散しながら、低合金鋼において応力が集中する箇所に集積する。応力腐食割れに関与する水素の挙動については諸説があるが、例えば集積した水素がマトリックス金属の原子間結合力を低下させることで亀裂の発生および進展を加速すると考えられている。
本開示のタービンロータ材料におけるタングステン(W)の含有率は、0.40質量%以上1.10質量%以下である。
本開示のタービンロータ材料は、ニオブ(Nb)が、0.01質量%以上0.15質量%以下含有していてもよい。
本開示のタービンロータ材料におけるリン(P)の含有率は、0質量%以上0.02質量%以下である。
本開示のタービンロータ材料においては、上述した各元素のほか、窒素(N)、酸素(O)、銅(Cu)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、錫(Sn)等、鉄鋼材料に一般的に含まれる不可避的不純物に関しては、不可避的に含まれる含有率において存在を許容するものとする。
上述したように、Mo量が多くなると、焼き戻した時に、耐応力腐食割れ性を高める効果があるバナジウム(V)の炭化物の形成が阻害されやすい。
本開示のタービンロータ材料は、炭素の含有率が0.20質量%以上0.25質量%以下、ケイ素の含有率が0質量%以上0.25質量%以下、マンガンの含有率が0.50質量%以上1.00質量%以下、ニッケルの含有率が0.50質量%以上0.90質量%以下、クロムの含有率が2.00質量%以上2.50質量%以下、モリブデンの含有率が0.50質量%以上1.00質量%以下、バナジウムの含有率が0.35質量%を超え0.40質量%以下、タングステンの含有率が0.40質量%以上0.80質量%以下であり、残部が鉄と不可避的不純物とからなることが好ましい。
上述したように、本開示のタービンロータ材料は、焼入れ性が高い。
本開示のタービンロータ材料の焼入れ性は、焼入れ時のタービンロータ材料中心部の冷却速度をシミュレーションで求め、得られた結果と同じ冷却を行った試験片について、初析フェライト率により評価する。
また、本開示のタービンロータ材料は、耐応力腐食割れ性が高い。
図1は、SCC試験に用いる試験片を示す模式図である。図2は、SCC試験の試験方法を示す模式図である。図3は、SCC試験において試験片に生じる亀裂を示す模式図である。
また、本開示のタービンロータ材料は、製造するタービンロータの強度を担保するため、高い靭性を示すことが好ましい。
本開示のタービンロータ材料は、通常のタービンロータ材料の製造方法と同様の製造工程によって製造することができる。
まず、溶解炉において上述した各元素の地金を溶解しながら混合し、上述の化学組成を有する溶湯を得る。
まず、アーク炉等で原料となる鉄や合金成分を溶解および精錬し、各金属の比率を合金における含有率と同比率に調整した溶融金属を金型に流し込み、固化させてインゴットとする。
本開示のタービンロータ材料においては、通常知られたV添加鋼よりもVの含有率を高めることにより、組織内に生じる整合V炭化物を増やし、耐応力腐食割れ性を高めている。
本開示のタービンロータ材料は、例えば以下のように把握される。
そのため、以上のような構成のタービンロータ材料によれば、焼入れ処理の容易さと、耐応力腐食割れ性とを両立可能となる。
鋼塊Bから得られたタービンロータ材料は、後述する初析フェライト率及び靭性の評価に用いた。
上述の鋼塊Bについて初析フェライト率を求め、焼入れ性を評価した。
また、初析フェライト量が0より大きいタービンロータ材料は、不良品として評価した。
タービンロータ材料の靭性は、鋼塊Bから得られたタービンロータ材料の試験片を用い、JIS Z 2242に従って、室温(20℃)でのシャルピー衝撃試験を行い評価した。シャルピー衝撃試験は、2mmVノッチを設けた試験片を用いて3回行い、3点の測定値の平均値を靭性の評価結果とした。
また、衝撃吸収エネルギーが50J未満であるタービンロータ材料は、不良品として評価した。
評価1および評価2において良品と判断されたタービンロータ材料について、鋼塊Aから得られたタービンロータ材料の試験片を用い、耐応力腐食割れ性を評価した。
108mm×8mm×5mm(加工精度±0.02mm)であり、108mm×5mmの面の長手方向中央に、深さ1,25mm、角度45°、先端のR=0.2のVノッチを有する。
また、相対比が0.75よりも小さい材料は、亀裂伝播速度が比較例1よりも優位に遅く、良品であると評価した。
また、相対比が1.25よりも大きい材料は、亀裂伝播速度が比較例1よりも優位に早く、不良品である評価した。
表3,4においては、評価結果を以下のように示す。
◎:亀裂伝播速度の相対比が0.50未満
〇:亀裂伝播速度の相対比が0.50以上0.75未満
△:亀裂伝播速度の相対比が0.75以上1.25以下
×:亀裂伝播速度の相対比が1.25を超える
Claims (3)
- 炭素の含有率が0.18質量%以上0.28質量%以下、
ケイ素の含有率が0質量%以上0.25質量%以下、
マンガンの含有率が0.10質量%以上1.20質量%以下、
ニッケルの含有率が0.50質量%以上1.20質量%以下、
クロムの含有率が1.80質量%以上2.80質量%以下、
モリブデンの含有率が0.30質量%以上1.20質量%以下、
バナジウムの含有率が0.35質量%を超え0.43質量%以下、
タングステンの含有率が0.40質量%以上1.10質量%以下であり、
残部が鉄と不可避的不純物とからなるタービンロータ材料。 - ニオブの含有率が0.01質量%以上0.15質量%以下である請求項1に記載のタービンロータ材料。
- モリブデンの含有率がバナジウム添加率の2倍以下である請求項1または2に記載のタービンロータ材料。
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