JPH03153848A

JPH03153848A - 耐熱鋼

Info

Publication number: JPH03153848A
Application number: JP29240689A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yamada; 政之山田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-13
Filing date: 1989-11-13
Publication date: 1991-07-01

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、高温で優れたクリープ強さを有するとともに
、低温においても優れたしん性１強度を有する耐熱鋼に
係り、特に蒸気タービンロータに適した耐熱鋼に関する
。

（従来の技術）ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせて熱効率の向
上を図ったコンバインドサイクル発電用の蒸気タービン
ロータや、自家発電用および高速タービン用ロータは、
小型化および機構の簡略化という検知から、高圧部から
低圧部までを同一の材質で一体構造として使用しており
、このような高低圧一体型ロータの材質には、従来、表
１に示す（Ａ）の組成より成る合金を主として用いてい
る。

（以下余白）ところで１以上のような蒸気タービンの最高蒸気温度は
５００℃程度であったが、近年、熱効率向上の観点から
使用蒸気温度が５００℃以上で、かつ発電容量の大きい
タービンが望まれている。そのため、使用蒸気温度の上
昇とロータ径が増大することから、コンバインドサイク
ル発電、自家発電。

高速タービン用高低圧一体型ロータにおいては、高圧部
では優れたクリープ強度が要求され、さらに低圧部にお
いては、タービンの大容量化に伴い。

翼長が増大し、ロータにかかる負荷、特に、タービンの
起動時にロータにかかる負荷が増すために強度とじん性
が必要とされる。しかし、これらの要求に対し、従来よ
り使用されているロータ材（Ａ）をそのまま適用するこ
とは、低圧部での強度およびじん性が不足するため、不
可能である。

なお、現在、事業用蒸気タービンロータの構成材料とし
て用いられている合金の組成を１表１（Ｂ）、（Ｃ）に
示すが、この組成の合金で高低圧−体型ロータを構成し
た場合には１次のような不都合がある。すなわち、合金
（Ｂ）で高低圧一体型ロータを構成した場合には、クリ
ープ強度は十分であるが、じん性に乏しく、ロータ中心
部の延性脆性遷移温度（ＦＡＴＴ）が高い、このため、
脆性破壊に対して安全性を十分に保障し得ない欠点があ
る。一方、合金（Ｃ）で構成した場合には、ロータ中心
部のＦＡＴＴが室温以下と低いことから、ロータの脆性
破壊に対する安全性を十分に確保しうる。しかし、その
反面、蒸気温度の高い高圧部ではクリープ強度が不足す
るという不都合が生ずる。

すなわち、上記合金Ａ、Ｂ、Ｃのいずれを用いても、構
成された高低圧一体型タービン用ロータには、一長一短
があり、大型化に対して供し難い不都合さがある。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので。

高温で優れたクリープ強さを有するとともに、低温での
強度およびじん性が優れた耐熱鋼を提供することを目的
とするものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明に係る耐熱鋼は、重量比で、ｃ０．ｏｓ、〜０．
３０％、ＳＬ０．２％以下、　Ｍｎ　１．０％以下、　
　Ｎｉ１．５〜４．０％、Ｃｒ　９〜１３％、　Ｍ　０
．０５〜２．０％、Ｖ０．１〜０．５％、　Ｎ　０．０
１〜０．１０％、Ｗ　０．１〜２．０％。

Ｎｂ、Ｔａの単独あるいは合計が０．０１〜０．５０％
、残部Ｆｅおよび付随的不純物より成り、この金属組織
中には実質的にフェライト相を生じないようにした合金
である。

（作用）この発明に係る耐熱鋼は、前述した各合金元素を特定の
組成範囲とすることにより、高温で優れたクリープ強度
と低温で優れた強度およびじん性を発揮する。その大き
な理由としては、合金の素地中にＮｂあるいはＴａの炭
窒化物が微細に分散析出し、高温でのクリープ変形抵抗
を維持するとともに、この微細に分散析出したＮｂある
いはＴａ炭窒化部が鍛造および熱処理時に合金の結晶粒
の粗大化を防止し、じん性の向上に寄与する。また、Ｗ
を添加し、その固溶強化機構により低温および高温での
強度を向上する。さらに、低温における強度、じん性を
増強するのに有効なＮｉ　を多量に含有すること、さら
に合金中への脱酸剤として添加するＳＬの量を減じ、代
わりに真空カーボン脱酸を行い１合金中のシリカ系酸化
物量を減らすことにより、低温におけるしん性が向上す
る。なお。

この発明に係る耐熱鋼は、以下に示すクロム当量＝−４０ＸＣ％−３０ＸＮ％−２ＸＭｎ％−
４ＸＮｉ％＋Ｃｒ％＋４ＸＭｏ％＋６ＸＳｉ％＋ＩＩＸ
Ｖ％＋２．５ＸＴａ％＋５ＸＮｂ％＋１．５ＸＷ％の式で、クロム当量が１１以下とすることが望ましい、
このことは、本発明に係る耐熱鋼、特に蒸気タービンロ
ータに適用する耐熱鋼の場合、その大型鋼塊でクロム当
量が１１を越えると局部的な合金成分のばらつきからフ
ェライト相が生成し、クリープ強さやじん性の低下をき
たす恐れがあるためである。

この発明に係る耐熱鋼は、以下に述べるようにして製造
し得る。まず所定量の合金元素を配合し、溶解後、真空
カーボン脱酸を行い、鍛造する。その後、１１００〜１
３００℃に加熱後、さらに鍛造し、ロータ等の所定形状
化してから、１０００〜１１５０℃で均一に加熱する。

この加熱は、上記１０００〜１１５０℃の温度で完全に
オーステナイト組織に変態するのに十分な時間を行う。

かくして合金組織を完全にオーステナイト組織に変態さ
せたのち、油中あるいは水噴霧などで約１００℃まで急
冷する。　この急冷により合金はγ→α′変態により、
実質的に均一なマルテンサイト組織となる。しかる後、
このまま１００℃付近に数十時間維持し均質化する。さ
らに、５５０〜７００℃で数時間から数十時間維持して
焼戻しを行うと合金の組織は最終的に焼戻しマルテンサ
イト組織となり、高温で優れたクリープ強さと、低温で
の優れた強度およびじん性を有する耐熱鋼を得ることが
できる。

ここで、本発明に係る耐熱鋼を構成する材料の合金組成
の限定理由について説明する。

ｃ　：　０．ｏｓ〜０．３０％。Ｃは、高温で地鉄中に
固溶し、オーステナイト組織とし、急冷により　γ→α
′変態を起こさせ低温および高温での強度を向上させる
とともに−Ｎｂｅ　Ｔａ、Ｃｒなどの元素と炭化物を形
成し、高温のクリープ変形抵抗を向上させるのに必要な
元素であり、０．０５％未満ではその効果が小さく、ま
た、０．３０％を越えると低温でのじん性が低下する。

Ｓｉ：０．２％以下ａ　　Ｓｉは、溶解時の脱酸剤とし
て必要な元素であるが、多量の含有は低温でのしん性を
害するため、できるだけ少い方が望ましく０．２％以下
とする。

Ｍｎ：１．０％以下。Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶解時の脱
酸および脱硫剤として添加されるが、多量に添加すると
じん性が低下するので１．０％以下とする。

Ｎｉ：１．５〜４．０％。Ｎｉは、フェライト相の生成
を防止し、焼入性を高めるのに必要で、さらに低温にお
ける強度とじん性をより向上させるためにも１．５％以
上が必要である。なお、４．０％を越えると高温強度の
低下が著しくなるためこの範囲とする。

Ｃｒ：９〜１３％。Ｃｒは、地鉄中に固溶し、合金の強
度を向上させるとともに、耐酸化、耐食性を付与させる
のに必要な元素で、少くとも９％は必要である。しかし
、多量の含有は好ましくないフェライト相を生成し、高
温強度およびじん性の低下をきたすことから１３％まで
とする。

Ｍｏ：０．５〜２．０％０Ｍｏは、高温および低温での
強度を高め、さらに焼戻し脆性を防止するのに必要であ
り、０．５％未満では、その効果が少い、また、Ｍｏを
多量に添加すると、　フェライト相が生成し、高温強度
およびじん性を低下させることから２．０％までとする
。

Ｖ　：　０．１〜０．５％、■は、高温強度を向上させ
るのに必要な元素で、０．１％未満ではその効果が少く
、またフェライト生成元素であり、多量の含有はフェラ
イト相を生成し、高温強度およびじん性を低下させるの
でこの範囲とする。

Ｎ　：　０．０１〜０゜１０％。Ｎは、オーステナイト
生成元素で、　フェライト相の生成を抑制し、特にＮｂ
やＴａと化合して窒化物を形成して高温のクリープ変形
抵抗を向上させるのに必要で、０，０１％未満ではその
効果が十分でなく、また、０．１０％を越えると巣やミ
クロポアの発生を増加させるのでこの範囲とする。

ｗ　：　０．ｔ　〜、２．０％、ＷはＭｏと同様に、固
溶強化により、低温および高温での強度を向上させる元
素で、０．１％未満ではその効果が顕著でなく、また、
　２．０％を越えるとじん性を低下させるのでこの範囲
とする。

Ｎｂ、Ｔａ：単独あるいは合計が０．０１〜０．５０％
。

Ｎ　ｂ　、　Ｔ　ａは合金中のＣおよびＮと化合してＮ
ｂ炭窒化物やＴａ炭窒化物を生成し、合金の素地中へ微
細に析出９分散して高温のクリープ強さを向上させると
ともに、鍛造および熱処理時の結晶粒の粗大化を防止し
、低温でのしん性を向上させるのに必要な元素で、少く
とも０．０１％は必要とする。しかし、ＮｂやＴａはフ
ェライト生成元素であり、多量の添加は高温強度や、じ
ん性の低下をきたすため０．５０％までとする。

（実施例）次に、本発明について、その実施例を以下に説明する。

まず、表２に示す化学組成の合金試料を用意し、溶解、
鍛造した。なお、実施例１，２，３．および比較例１，
２については鍛造前に真空カーボン脱酸を実施した。次
に、鍛造した各合金試料のインゴットを１２００℃に加
熱し、鍛造加工を行い、その後表３に示す条件で調質処
理を施した。なお、表中の熱処理の欄で、記号Ａ、Ｃ，
Ｅ、Ｇはロータの中心部、また記号Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈは同
じくロータの表層部での焼入冷却度をシミュレートした
ものである。かくして得た各試験材より引張試験。

シャルピー衝撃試験、およびクリープ破断試験を行った
。これらの試験結果を表４に示す（なお、表４の中に記
したＦＡＴＴとは、シャルピー衝撃試験した後の試験片
破面において、延性破面が５０％を占める温度のことで
、この温度が低いほど、じん性が優れており、タービン
ロータとして望ましい、）、ｌ表４から明らかなように、本発明に係る耐熱鋼は、比較
例１に比べ高強度でありながら、じん性がはるかに優れ
ている。また、従来の蒸気タービンロータ材である比較
例２，３．４に比べて引張強さやクリープ破断強度は著
しく優れている。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明に係る耐熱鋼は、従来の蒸気ター
ビン等に使用されているｌｃｒ−ＩＭ。

−０，２５Ｖロータ（比較例３）、３．５Ｎｉ−１，７
Ｃｒ−０，４Ｍｏ−０，４Ｖロータ（比較例４）および
ｌＣｒ−１Ｍｏ−０，２５Ｖ−０，０２Ｎｂロータ（比
較例２）に比へて、引張強さやクリープ破断強さがはる
かに優れており、また、比較例１に比べてじん性が極め
て優れているため、特に蒸気タービン用ロータ。

タービンブレード、ケーシング用締付はボルトとして工
業上すこぶる有用であると言える。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比で、Ｃ０．０５〜０．３０％、Ｓｉ０．２
％以下、Ｍｎ１．０％以下、Ｎｉ１．５〜４．０％、Ｃ
ｒ９〜１３％、Ｍｏ０．５〜２．０％、Ｖ０．１〜０．
５％、Ｎ０．０１〜０．１０％、Ｗ０．１〜２．０％、
Ｎｂ、Ｔａの単独あるいは合計が０．０１〜０．５０％
、残部Ｆｅおよび付随的不純物より成ることを特徴とす
る耐熱鋼。
（２）蒸気タービンロータであることを特徴とする請求
項１記載の耐熱鋼。