JPH02140465A

JPH02140465A - 水車ランナの製造方法

Info

Publication number: JPH02140465A
Application number: JP63295147A
Authority: JP
Inventors: Shozo Tanida; 谷田　正三; Takao Funamoto; 舟本　孝雄; Norio Kitamura; 北村　紀夫; Junzo Komatsu; 小松　順三; Masakazu Midorikawa; 正和緑川; Tsugio Yoshikawa; 吉川　次雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-11-22
Filing date: 1988-11-22
Publication date: 1990-05-30
Anticipated expiration: 2010-08-02
Also published as: JPH0772530B2; US5035579A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は高強度・高靭性の鋼板を用いた溶接構造の水車
ランナおよびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近年発電効率の向上のため、水力発電においては高揚程
・高落差化の傾向にある。これに伴い高強度・高靭性の
水車ランナが求められている。

従来、水車ランナには、耐キヤビテーシヨン特性に優れ
たマルテンサイト系ステンレス鋼である１　３Ｃｒｍが
用いられていた。この１３ＣｒｌはＮｉを含まないもの
であった。ところが、単機水車ランナの出力上昇並びに
効率向上の要請に伴い、Ｎｉを含み靭性に優れた１３Ｃ
ｒ鋼が開発され、この１３Ｃｒ鋼を一体鋳造あるいは分
割鋳造した水車ランナが提案されている（例えば特公昭
６゜−５３７３７号公報）、。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の技術では、以下のような問題
点があった。

■ひけ巣などの鋳造特有の欠陥の発生および偏析などに
より、十分な靭性が得られない。

■欠陥の検出には超音波探傷や放射線検査等の非破壊検
査法が用いられているが、三次元形状の水車ランナ全体
を精度良く検査するには多大な工数が必要である。

■非破壊検査で検出された鋳造欠陥は被覆アーク溶接な
どによる補修溶接されるが、この補修溶接作業に際して
、１３　Ｃｒ鋼は溶接割れを起こし易く。そして、この
溶接割れを回避するため予熱・後熱等の作業が必要とな
り、補修作業にも多くの工数が必要である。

■水車ランナの鋳造表面の仕上げに多大な工数が必要で
ある。

本発明の目的は高強度・高靭性で、かつ少ない工数で製
造できる水車ランナおよびその製造方法を堤供すること
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の水車ランナは、少
なくともベーンが、重量で、Ｃ０，０１〜０．１０％、
Ｓｉ　　０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜２％、Ｎ
ｉ　２〜７％、Ｃｒ１０〜１５％、Ｍ。

０．１０〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からな
り、金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイトの
混合がらなり、かつ残留オーステナイトが容量比で１０
〜３５％ある圧延鋼板がらなリ、複数枚の前記圧延鋼板
を溶接して組み立てたものである。

また、本発明の水車ランナは、少なくともベーンが、重
量で、Ｃ０，０１〜０．１０％、Ｓｉ０．１０−１．０
％、Ｍｎ０．１０〜２％、Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ１０〜１
５％、Ｍｏ０．１０〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的不
純物からなり、かつ、酸素量が最大６０ｐｐｍ、窒素量
が最大１２０ｐｐｍであり、かつ金属組織がマルテンサ
イトと残留オーステナイトの混合からなり、残留オース
テナイトが容量比で１０〜３５％である圧延鋼板を三次
元形状に成形し、少なくとも電子ビーム溶接して組み立
てたものである。

また、本発明の水車ランナは、少なくともベーンが、重
量で、Ｇ　　０．０ｌ−＝０．１０％、Ｓｉ０．１０〜
１．０％、Ｍｎ０．１０〜２％、Ｎｘ２〜７％、Ｃｒ１
０〜１５％、Ｍｏ０．１０−３％、残部Ｆｅおよび不可
避的不純物からなり、かつ、酸素量が最大６ＱｐｐＨ１
、窒素量が最大１２０ｐｐｍであり、かつ金属組織がマ
ルテンサイトと残留オーステナイトの混合からなり、残
留オーステナイトが容量比で１０〜３５％である圧延鋼
板を三次元形状に成形し、少なくとも電子ビーム溶接し
たのち、溶接部の残留オーステナイトが容量比で１０〜
３５％になるよう熱処理したものである。

さらに、本発明の水車ランナは５重量で、Ｃ０．０１〜
０．１０％、Ｓｉ　　０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１
〜２％、Ｎｉ　２〜７％、Ｃｒ　１０〜１５％、Ｍｏ０
．１〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、
酸素量を最大６０ｐｐｍ、窒素量を最大１２０ｐｐｍに
制御して溶製され、かつ金属組織がマルテンサイトと残
留オーステナイトの混合からなり、残留オーストナイト
量が容積比で１０〜３５％に規制された圧延鋼板を、電
子ビーム溶接などを用い溶接して組み立てたものである
。

また、本発明の水車ランナは１重量で、Ｃ０．０１〜０
．１０％、Ｓｉ　　０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１〜
２％、Ｎｉ　２〜７％、Ｃｒ　１０〜１５％、Ｍｏ０．
１〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、酸
素量を最大６０ｐｐｍ、窒素量を最大１２Ｑｐｐｍに制
御して溶製され、かつ金属組織がマルテンサイトと残留
オーステナイトの混合からなり、残留オーストナイト量
が容積比で１ｏ〜３５％に規制された圧延鋼を、軟鋼材
の表面に溶接で張合わせて形状の板材を形成するととも
に、該板材を電子ビーム溶接などを用い溶接して組立て
たものである。

さらに１本発明の水車ランナの製造方法は、重量で、Ｃ
０．０１〜０．１０％、Ｓｉ　　０．１０〜１．０％、
Ｍｎ０．１〜２％、Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ　１０〜１５％
、Ｍｏ０．１〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物か
らなり、酸素量を最大６０ｐｐｍ、窒素量を最大１２０
ｐｐｍに制御して溶製され、かつ金属組織がマルテンサ
イトと残留オーステナイトの混合からなり、残留オース
］へナイト量が容積比で１０〜３５％に規制された圧延
鋼板を、三次元形状に成形し、電子ビーム溶接などを用
い一体化したのち、溶接部の残留オーステナイト量が容
積比で１０〜３５％になるように熱処理することである
。

〔作用〕

主成分であるＣｒおよびＮｉ等は水車ランナに強度や耐
キャビテーション性を与えるのに必要であり、鋳鋼での
含有量と本質的に変わりはない。

しかし、１３Ｃｒ鋼のような高合金鋼の電子ビーム溶接
では、溶接欠陥の発生防止と靭性確保のため、鋼中の酸
素と窒素の含有量については制御が必要であるとともに
母材肉質に巣等の空隙がないことが肝要である。

以下に、鋼板化における化学成分の限定理由を述べる。

Ｃは０．１０％を越えると溶接性が悪くなるとともに、
強度の増加と相反して切欠靭性が悪くなる。また０、０
１％未満では強度上および溶解上の点で問題である。

Ｓｉは製鋼時の脱酸剤として０．１％以上必要であるが
、１％を越えると硬く脆くなるので、０．１〜１．０％
に限定される。

Ｍｎは脱酸・脱硫作用があり、またオーステナイト化元
素として靭性にも寄与するが、２％を越えると溶接硬化
性の問題を生ずる。

Ｎｉはオーステナイト生成元素であり、有効な残留オー
ステナイト量を確保するためにも２〜７％必要であるが
、特に４〜６％が望ましい。しかし、７％を越えると残
留オーステナイトが増加し強度の低下を招く。

Ｃｒは耐蝕性を確保するための基本的な成分で、淡水中
での耐蝕性を得るためにも１０％以上必要である。しか
し、Ｃｒが増加するとδフェライトが増え脆化するので
上限は１５％に限定する。

Ｍｏは炭化物生成元素でもあり、水中での疲労強度向上
にも著しく有効な成分で焼戻し脆化防止にも効果を示す
。しかし、３％を越えるとその効果も薄れ、逆に焼入性
が増加し靭性の低下を招く。

酸素は溶接金属の靭性を低下させる元素であるが、特に
電子ビーム溶接ではブロホール等の内部欠陥を発生させ
易くするので、その上限を６０ｐｐｍに制限する必要が
ある。

窒素は微量であれば鋼中のＡ、　ｌと結合して結晶粒の
微細化の核としての効果があるが、あまり多いとオース
テナイト粒界に偏析して焼入性を低下させるばかりでな
く、酸素と同様にブロホールを発生させ易くするので、
上限を１２０ｐｐｍに制限する必要がある。

本発明の鋼の組織は主としてマルテンサイトと残留オー
ステナイトの混合状態になる。そして、残留オーステナ
イト量は靭性の点から１０％以上、強度の点から３５％
以下にするのが良い。

また、上述した鋼は圧延され鋼板となり、非破壊検査お
よび外観検査を経て所定の寸法に切断されて水車ランナ
の部材として用いられるが、鋼板のままでの検査は非常
に能率的であるばかりが、精度の向上を図ることもでき
る。実際に、この状態での検査で水車ランナ全体の約８
〜９割の検査が終了したことになる。

そして、鋼板は三次元曲面を有する型で塑性加工された
のち、電子ビーム溶接などで溶接され組み立てられる。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明が適用されるフランシス型水車ランナの
斜視図、第２図はそれを中央で切断した図である。図に
示すように、ベーン１はクラウン２とバンド３の間に設
けられている。そして、クラウン２の中央部は図示しな
い旺動軸に連結される。

次に第１表に上記水車ランナの供試鋼の化学成分を、第
２表にその機械的性質をそれぞれ示す。

なお、第２表にはキャビテーション・二ローション試験
Ｃ表ではＣＥ試験と略伝している）と、破壊靭性試験の
結果も示しである。

キャビテーション・二ローション試験では磁歪振動型試
験機を用い、試験条件を、周波数＝６．５Ｋ　Ｈｚ、振
１１１ｉＦ：１２０μｒｎ、試験液：水道水、試験液温
＝２５℃、試験時間：２時間とし、直径２２ｍｍの試験
面について試験前後の重量の差を測定し、試験面の懐食
量を求めた。

破壊靭性試験では、ＡＳＴＭ　Ｅ８１３−８１に準じ、
板厚１２．７ｍｍのコンパクト・テンション試験片を用
いて１弾塑性破壊靭性試験法により０℃での破壊靭性を
求めた。

次に試験結果に述べる。供試材Ｎａ　ｌ〜Ｎα３は本発
明鋼で、供試材Ｎα４〜Ｎα６は比較鋼である。このう
ち、Ｎα５およびＮα６は従来の水車ランナと同質の鋳
鋼品であり、他はすべて圧延鋼である。いずれも５Ｎｉ
−１３Ｃｒを主成分としたものであるが、鋼中の酸素お
よび窒素ガスの含有量を変化させたものである。

引張強さおよび０．２％耐力では鋳鋼と圧延鋼の両者に
差は見られないが、伸びおよび絞りは鋳鋼より圧延鋼の
方がやや大きく延性に富んでいることがわかる。

さらに、衝撃値あるいは破壊靭性など構造物の破壊防止
に要求される特性に関しては、前述の引張試験における
伸び等の差以上に特に圧延鋼の方が鋳鋼よりも優れてい
た。これは、鋼中に含まれる非金属介在物の量の差に影
響されたもので、両者の清浄度（Ｔｏｔｏｌ）が圧延鋼
で０．０３３〜０．０５］：対しｇｍでは０．１１〜０
．１．４　ト圧延鋼の方が鋳鋼より小さいことによるも
のであった。

次に５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋼の電子ビーム溶接性について検
討した結果について述べる。

電子ビーム溶接法は、溶接変形が少なく厚板でも１パス
で溶接できる利便から、高出力の装置の開発に伴い炭素
鋼などの厚肉の大型構造物の分野にも応用されてきてお
り、一般化されつつある。

水車ランナへの実用化上、特に考慮しなければならない
点としては、ポロシティ、高温割れ等の溶接欠陥発生の
有無、および溶接部の機械的性質や破壊靭性の性能につ
いて検討することが重要である。

５Ｎｉ−１３Ｃｒｍの溶接性についての検討結果を第３
表に示す。なお、ビード形状の符号については第３図に
示しである。供試材を板厚８０ｍｍに加工し、工型開先
突合せ部を加速電圧９０ＫＶ。

ビーム電流３００〜３５０ｍＡ、ビーム振動を直径０，
５ｍｍＸ５００Ｈｚ、焦点位置を被溶接材の表面下８０
ａ＋ｍで溶接を実施した。その結果、全ての供試材につ
いて高温割れは発生しなかったが。

試供材Ｎａ　４〜魔６はいずれも溶接金属中央付近でポ
ロシティが認められた。この要因は種々検討した結果、
鋼中に含まれる酸素および窒素ガスの影響によるもので
あることがわかった。供試材Ｎα４〜Ｎα６では、表中
に示すように、酸素量は１００〜１２０ｐｐｍで窒素量
は４６０〜４７０ｐｐｍであった。

このような知見を下に５Ｎｉ−１３Ｃｒ鋼におけるポロ
シティの発生と酸素及び窒素の関係を検討した結果、酸
素量を６０ｐｐｍ、窒素量１２０ｐｐｍとすることによ
り、高温割れ等の欠陥はもちろん、ポロシティもまった
く発生しないことがわかった。

このような鋼は母材の破壊靭性のみならず溶接金属でも
優れた特性を示すことが確認されている。

電子ビーム溶接金属の破壊靭性とキャビテーション懐食
量について、本発明鋼と比較鋼との比較結果を第４表に
示す。

両者はキャビテーション特性ではあまり相違は見られな
いが、破壊靭性の点では本発明鋼の方が開発鋼よりも３
割はど高い。これは、前述したように、母材の清浄度お
よび酸素含有量が影響していることは明白である。

電子ビーム溶接継手の引張試緒について、本発明鋼の試
験結果を第５表に示す。

表より、電子ビーム溶接の溶接金属は軟化することなく
、母材と同等の強さを有することは明らかである。なお
１表中には溶接棒Ｄ　３０９　Ｍ　ｏを使用した場合の
強度についても示したが、オーステナイト系の溶接棒の
場合、電子ビーム溶接と比べかなり低い強度となる。

以上のように、本実施例で用いた圧延鋼は、電子ビーム
溶接性に優れ、かつ継手の切欠靭性も鋳造材より優れて
いることが判った。この結果を基にして、実物の１／２
サイズの水車ランナを試作した。

次にその水車ランナの試作について述べる。

ランナの大きさは長さ＝８０ｏＯＩｌＩＩ＋、最大＠：
１７００ｆｆＩｌ、板厚＝８ｏｒｍとした。そして、第
４図に示すように、ベーン１を板材ＬＡ、ＩＢ。

ＩＣに３分割し、板材ＩＡ、ＩＢ、ＩＣの圧延方向がベ
ーン１の長手方向と一致するように、板材ＬＡ、ＩＢ、
ＩＣの板取りを行なった。また板材ＬＡ、ＩＢ、ＩＣは
多軸塑性加工の可能なプレス加工機を用い熱間および冷
間の絞り加工をした。

プレス加工機は第５図に示すような構成のもので、上下
方向に対向配置された上部テーブル１０と下部テーブル
１１に、半球状の可動ヘッド１２を有する可動ロッド１
３がそれぞれ取付けられ、可動ヘッド１２の先端に三次
元曲面を有する型１４が固定されて、更に型１４の両側
端は支持側板１５で支持されている。また、型１４内に
は導水管１６が設けられ、型１４を冷却できるようにな
っている。

上述のプレス加工機で板材ＩＡ、ＩＢ、ＩＣを三次元曲
面にプレス加工する場合、板材ＬＡ。

ＩＢ、ＩＣを予め９５０℃程度に加熱したのち、上下の
型１４の間に挿入して加圧した。そして、マルテンサイ
ト変態が終了するまで、板材ＩＡ。

ＩＢ、ＩＣを加圧しつづけた。これは、マルテンサイト
変態が終了する前に加圧力を解除すると、板材ＩＡ、Ｉ
Ｂ、ＩＣがバックリングを起こしたり、またマルテンサ
イト変態の熱膨張により変形したりするのを防止するた
めであった。

このようにして、プレス加工された板材ＬＡ。

ＩＢ、ＩＣを三次元電子ビーム溶接機で溶接し。

互いに接合して一体化したのち、寸法検査および非破壊
検査を行なって、ベーンを作成した。

また、本発明はベーン１ばかりでなく、バンド２の製造
にも適用できることは勿論である。

なお、水車ランナ作成までの手順を流れ図で示すと第６
図のようになる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、高強度高靭性で
かつ耐壊食性のある水車ランナを得ることができるので
、破壊安全性に対する信頼性を向上させることが可能で
ある。

また、製造時の工数を低減させることができるので、経
済的なメリットも大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用できるフランシス型水車ランナの
斜視図、第２図は第１図を中央で切断したときの断面図
、第３図はビード形状を示す図、第４図はランナの組立
図、第５図はプレス加工機の断面図、第６図はランナ製
造の手順を示す流れ図である。１・・・ベーン、ＬＡ、ＩＢ、ＩＣ・・・板材、２・・
・クラウン、３・・・バンド、１０・・・上部テーブル
、１１・・・下部テーブル、１２・・・可動ヘッド、１
３・・・可動ロッド、１４・・・型、１５・・・支持側
板、１６・・・導水管。

Claims

【特許請求の範囲】１、少なくともベーンが、重量で、Ｃ０．０１〜０．１
０％、Ｓｉ０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜２％、
Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ１０〜１５％、Ｍｏ０．１０〜３％
、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、金属組織が
マルテンサイトと残留オーステナイトの混合からなり、
かつ残留オーステナイトが容量比で１０〜３５％ある圧
延鋼板からなり、複数枚の前記圧延鋼板を溶接して組み
立てた水車ランナ。２、少なくともベーンが、重量で、Ｃ０．０１〜０．１
０％、Ｓｉ０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜２％、
Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ１０〜１５％、Ｍｏ０．１０〜３％
、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、酸素
量が最大６０ｐｐｍ、窒素量が最大１２０ｐｐｍであり
、かつ金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイト
の混合からなり、残留オーステナイトが容量比で１０〜
３５％である圧延鋼板を三次元形状に成形し、少なくと
も電子ビーム溶接して組み立てた水車ランナ。３、少なくともベーンが、重量で、Ｃ０．０１〜０．１
０％、Ｓｉ０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜２％、
Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ１０〜１５％、Ｍｏ０．１０〜３％
、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、酸素
量が最大６０ｐｐｍ、窒素量が最大１２０ｐｐｍであり
、かつ金属組織がマルテンサイトと残留オーステナイト
の混合からなり、残留オーステナイトが容量比で１０〜
３５％である圧延鋼板を三次元形状に成形し、少なくと
も電子ビーム溶接したのち、溶接部の残留オーステナイ
トが容量比で１０〜３５％になるよう熱処理した水車ラ
ンナ。４、重量で、Ｃ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ０．１０〜
１．０％、Ｍｎ０．１〜２％、Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ１０
〜１５％、Ｍｏ０．１〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的
不純物からなり、酸素量を最大６０ｐｐｍ、窒素量を最
大１２０ｐｐｍに制御して溶製され、かつ金属組織がマ
ルテンサイトと残留オーステナイトの混合からなり、残
留オーストナイト量が容積比で１０〜３５％に規制され
た圧延鋼板を、電子ビーム溶接により溶接して組み立て
た水車ランナ。５、重量で、Ｃ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ０．１０〜
１．０％、Ｍｎ０．１〜２％、Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ１０
〜１５％、Ｍｏ０．１〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的
不純物からなり、酸素量を最大６０ｐｐｍ、窒素量を最
大１２０ｐｐｍに制御して溶製され、かつ金属組織がマ
ルテンサイトと残留オーステナイトの混合からなり、残
留オーストナイト量が容積比で１０〜３５％に規制され
た圧延鋼を、軟鋼材の表面に溶接で張合わせて層状の板
材を形成するとともに、該板材を電子ビーム溶接で溶接
して組立てた水車ランナ。６、重量で、Ｃ０．０１〜０．１０％、Ｓｉ０．１０〜
１．０％、Ｍｎ０．１〜２％、Ｎｉ２〜７％、Ｃｒ１０
〜１５％、Ｍｏ０．１〜３％、残部Ｆｅおよび不可避的
不純物からなり、酸素量を最大６０ｐｐｍ、窒素量を最
大１２０ｐｐｍに制御して溶製され、かつ金属組織がマ
ルテンサイトと残留オーステナイトの混合からなり、残
留オーストナイト量が容積比で１０〜３５％に規制され
た圧延鋼板を、三次元形状に成形し、電子ビーム溶接で
一体化したのち、溶接部の残留オーステナイト量が容積
比で１０〜３５％になるように熱処理する水車ランナの
製造方法。７、請求項６記載の製造方法において、前記圧延鋼板を
三次元形状に成形する際に、まず前記圧延鋼板を加熱し
、次に成形開始温度からＭｓ変態点までの間で前記圧延
鋼板を加圧して保持する水車ランナの製造方法。