JPH037002B2

JPH037002B2 -

Info

Publication number: JPH037002B2
Application number: JP57019508A
Authority: JP
Inventors: Masao Shiga; Seishin Kirihara; Takatoshi Yoshioka; Katsukuni Kuno; Toshimi Tan; Yoji Akutsu; Kazu Kobayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-02-08
Filing date: 1982-02-08
Publication date: 1991-01-31
Also published as: CA1202495A; JPS58138209A; US4497670A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は新規な蒸気タービン用ロータシヤフト
に係り、特にマルテンサイト組織を有する合金鋼
よりなるロータシヤフトの改良された軸受部を有
する蒸気タービン用ロータシヤフトに関する。近年、蒸気タービン用ロータは、高温強度及び
靭性の高い12％Cr鋼が使用されるようになつて
きた。しかし、12％Cr鋼は、軸受特性、特に摩
耗特性が悪いために、軸受部に入り込んだゴミな
どの異物によつて急激に軸受に焼付き、ロータの
ジヤーナル及び軸受が損傷するということがあつ
た。このため、特開昭55−16744号公報には、ジ
ヤーナル部に軸受特性の良い金属を溶射によつて
形成させ溶射層を設けた12％Cr鋼製ロータ、及
びジヤーナル部に軸受特性のよい溶着金属を生じ
る溶接棒で肉盛溶接し肉盛溶接層を設けた12％
Cr鋼製ロータが示されている。溶射によるものは、母材との結合力が弱く、ま
た酸化物及び空孔が形成されるため抗張力及び靭
性が低く、破損する恐れがある。肉盛溶接によるものは、母材との溶接条件の関
係からその肉盛する金属を選ばなければならず、
軸受特性の優れた金属を選定することが困難であ
る。そのため溶接との関係で軸受特性を犠牲にし
た金属を選ばなければならないという問題があ
る。一方、蒸気タービンロータは、発電機を接続す
るカツプリングを一体構造とすることが、その使
用において信頼性が高く、一体型のものが望まれ
ている。上記の問題点を解決する目的で、本願発明者ら
は12Cr系鋼からなるロータジヤーナル部に、
12Cr系鋼より軸受特性のすぐれた金属部材から
なり、その周方向で分割された分割スリーブを溶
接々続して形成された円筒形スリーブ（以下分割
溶接方式スリーブと略称する）を焼嵌固着する方
法を出願した（特願昭55−170597号）（特開昭57
−93603号公報）。本発明の目的は、軸受特性のすぐれた蒸気ター
ビン用ロータシヤフトを提供するにある。本発明は、翼を植込む胴部と回転の支点となる
軸受部とを有するシヤフトにおいて、前記軸受部
はCr及びMoを含有し、以下に示される溶接割れ
感受性指数L_T L_T＝70（Ｃ−Si／12−Mn／９＋3P＋4S＋Ni／23＋Cr／35
＋ Mo／70）（但し、各元素は重量％である）が24以下で、主にベーナイト組織を有し、室温の
引張強さが50Kg／mm²以上である合金鋼よりなるス
リーブが溶接によつて固着されていることを特徴
とする蒸気タービン用ロータシヤフトにある。このスリーブ材としては引張り強さ及び耐力が
高く、軸受特性のすぐれたものでなければならな
い。また、溶接割れが生じないことが必要であ
る。溶接割れは、前述のL_Tを24以下にすれば防
止できる。また溶接部の硬さは母材とほぼ同じで
あることが特に好ましい。本願発明者らの溶接実験では、焼もどし温度よ
り低い温度で応力除去焼なましを行なうことによ
つて、溶接金属又は熱膨響部の硬さが母材より高
くなり、このような硬さの不均一なものをスリー
ブに使用すると、ジヤーナル及び軸受けが損傷を
受けるので、好ましくない。本願発明者らは、前述の式で表わされる高温溶
接割れ感受性指数L_Tを24以下に抑えたNi−Cr−
Mo鋼を用いれば溶接割れが発生しないこと、分
割スリーブを電子ビーム溶接で接合後、焼もどし
温度より20℃以上高い温度で応力除去焼なまし処
理を行なえば溶接部の硬さが母材とほぼ等しくな
り、軸受特性のすぐれたスリーブが製造できるこ
とを見出した。L_Tは好ましくは22以下である。次に本発明鋼の成分限定理由を述べる。Ｃは強度を向上させるために有効な元素である
が、0.35％を超えると溶接凝固割れを起こし易
く、0.04％未満では必要な強度が得られにくい。
好ましくは0.07〜0.15％の範囲が良い。 Siは脱酸剤として添加するものであり、１％以
下が好ましい。特に0.1〜0.6％が好ましい。 Mnは焼入性を増大し、靭性を改善するのに、
0.2％以上添加するのが好ましい。溶接割れを防
止するには２％以下が好ましい。Ｐ、Ｓは不可避の不純物として存在するもので
あり、できるだけ少ないのが好ましい。溶接割れ
を防止するには、0.03％以下が好ましい。特に、
0.01％以下が良い。 Niは焼入性及び靭性改善効果があり0.5％以上
添加することが好ましい。溶接凝固割れを防止す
るには５％以下が好ましい。特に、１〜3.5％が
最適範囲である。 Crは焼入性及び軸受特性を高める成分であり、
0.5％以上添加するのが好ましい。３％以上添加
しても効果はすくなく、0.7〜1.8％が適正範囲で
ある。 Moは焼もどし軟化抵抗を高めるばかりでな
く、焼もどし脆化防止効果があり、又軸受特性を
向上させるのに0.2％以上添加するのが好ましい。
過剰の添加は溶接性を高め、溶接割れを防止する
には２％以下が好ましい。特に、0.3〜１％の範
囲が好ましい。Ｖは焼もどし軟化抵抗を増大し強度を高める効
果があり、添加するのが好ましい。溶接応力除去
焼なまし割れを防止するには0.5％以下が好まし
い。特に、0.05〜0.3％が好ましい。スリーブは、主にベーナイト組織としなければ
ならない。ベーナイト組織は良好な軸受特性、す
なわち強度及び硬さを有するとともに耐摩耗性を
有する。更に、室温の引張強さが50Kg／mm²以上で
なければ、大型のロータシヤフトにおけるる荷重
を支え、前述の十分な軸受特性が得られない。固着に当つては、円弧状に分割されたスリーブ
は焼ばめ代を見こんで正確に加工されており、そ
してロータの細径部で溶接接続される。溶接には、アーク溶接又は電子ビーム溶接等そ
の他のいずれの溶接でも可能である。溶接後、溶接部の残留応力の軽減及び靭性向上
の点からSR処理するのが好ましい。SR処理にあ
たつてはスリーブ内面及びジヤーナル部表面が酸
化するのは好ましくないので、真空中又は非酸化
性雰囲気中で加熱するのが好ましい。 SR処理後、表面仕上げを行い、次いで焼ばめ
を施す。SR処理は温度650〜700℃、時間0.5〜
5hrが好ましい。ロータシシヤフトは、重量でC0.1〜0.3％、
Si0.6％以下、Mn0.4〜1.5％、Ni1.2％以下、Cr8
〜13％、Mo0.5〜1.5％、V0.05〜0.3％、Nb0.02
〜0.15％、N0.04〜0.1％を含有する全マルテンサ
イト組織を有する鍛鋼、C0.03〜0.1％、Si1％以
下、Mn2％以下、Cr13〜20％、Ni20〜30％、
Mo0.5〜２％、Ti1〜３％、Al0.1〜0.5％を含む
オーステナイト系鍛鋼が好ましい。分割スリーブの分割数は３分割、４分割、又は
それ以上のいくらでもよい。本発明の蒸気タービン用ロータシヤフトは、ロ
ータシヤフトのジヤーナル部の外径より小径の部
分で、前記鋼より軸受特性の高い金属部材からな
る複数個の分割スリーブを溶接によつて前記ジヤ
ーナル部の外径より小径の内径を有する円筒形ス
リーブを形成し、次いで該円筒形スリーブを所定
の温度に保持した状態で前記ジヤーサル部に嵌合
させることができる。実施例表に供試材の化学組成（重量％）、電子ビーム
溶接部の割れ率及び機械的性質を示す。No.２〜４
は発明スリーブ材、No.１及びNo.５〜７は比較のも
のである。これらの供試材は溶解後、外径290mm、長さ285
mm、厚さ35mmの円筒状に鍛造し、950℃から油焼
入処理し550℃で６時間の焼もどし処理を施した
ものである。その後、外径282、長さ282mm、厚さ
27mmの内外周面・端面を機械加工し、２等分に半
割りにした。その半割り部を電子ビーム溶接し、
610℃で３時間の応力除去焼なましを行ない、溶
接部をＸ線及び超音波欠陥検査し溶接割れ長さを
求めた。さらに軸方向に引張試験片を採取し、引
張試験を行なつた。表に示すように、試料No.１の
L_Tが25.6、No.５のL_Tが27.1及びNo.６のL_Tが29.8に
は溶接割れが発生した。第１図はL_T値と溶接割れ発生率の関係を示す
線図である。L_Tが24以上になると溶接割れが発
生することがわかる。溶接割れ率C_R（％）は以下
によつて求められる。 C_R＝Σl_R／Ｌ×100 ((Ｌ：溶接ビード長さ（280mm）、 Σl_R：全割れの長さ（mm）)) 試料No.７（Ｃ＝0.03％）は、超大型のロータシ
ヤフトとして好ましい強度（引張強さ＞65Kg

【表】

【表】／mm²、耐力＞50Kg／mm²）が得られない。試料No.２は、焼もどし温度より低い温度で応力
除去焼なまし処理した試料を作製し、溶接部の硬
さ分布及び6600rpmの高速回転試験によるジヤー
ナル部の損傷程度を調べるために作製したもので
ある。回転試験は、軸受の平均面圧20Kg／cm²、粒
径150μｍの鉄粉を油の中に入れ、軸受面に50
ｇ／20分投入し、1.5時間室温で回転させたもの
である。第２図に硬さ分布測定結果を示す。硬さ
は、肉厚の半分の位置で測定したものである。溶
接部の硬さが母材よりかなり高い場合ａの軸受部
の損傷程度は、軸受メタル表面の粗さが100μｍ、
スリーブ表面の粗さが11μｍであり、溶接部の硬
さが母材と同程度ｂの軸受部の損傷程度は、軸受
メタルの表面が48μｍ、スリーブ表面の粗さが5μ
ｍで、後者の軸受特性が優れていた。溶接部の硬
さは母材のそれとほぼ同じにすることが、スリー
ブとして理想的である。以上のような方法で、No.３のものについて第３
図に示すように、試験用ロータシヤフトの細径部
分６で電子ビーム溶接によつて溶接した円筒状ス
リーブを形成した後、これを軸受部に焼ばめによ
つて固定した。焼ばね温度は250〜300℃である。
溶接部の欠陥の有無を超音波探傷及び磁気探傷法
によつて検査した。その結果、溶接欠陥はまつた
く認められず良好であつた。更に、スリーブ表面
を鏡面に仕上げてから、スリーブの軸受性能試験
を行なつた。軸受にはバビツトメタルを用いた。
試験結果、スリーブと軸受とは全く焼付きを生せ
ず、優れた軸受特性が得られた。１はカツプリン
グ、２は動翼、５は溶接部である。ロータシヤフトは、重量でC0.16％、Si0.4％、
Mn0.7％、Ni0.5％、Cr110.8％、Mo1.0％、V0.2
％、Nb0.08％、N0.06％、残部Feからなり、焼
入焼戻しされた全マルテンサイト組織からなる。本発明によれば、ロータの材質に関係なく軸受
特性のすぐれた金属部材からなるスリーブをジヤ
ーナル部に設けることができるので、ロータにカ
ツプリングが一体となつて形成されたものにおい
て軸受特性の優れた特に、マルテンサイト系の高
Cr鋼製蒸気タービン用ロータシヤフトが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接割れ率と高温割れ感受性との関
係、第２図は硬さ分布の測定結果を示す線図、第
３図は本発明の蒸気タービン用ロータシヤフトに
係る正面図である。１……カツプリング、２……動翼、３……軸受
部、４……スリーブ、５……溶接部、６……細径
部。

Claims

【特許請求の範囲】１翼を植込む胴部と回転の軸となる軸受部とを
有するシヤフトにおいて、前記軸受部はCr及び
Moを含み、以下に示される溶接割れ感受性指数
L_T L_T＝70（Ｃ−Si／12−Mn／９＋3P＋4S＋Ni／23＋Cr／35
＋ Mo／70）（但し、各元素は重量％である。）が24以下で、主にベーナイト組織を有し、室温の
引張強さが50Kg／mm²以上である合金鋼からなるス
リーブが溶接によつて固着されていることを特徴
とする蒸気タービン用ロータシヤフト。２前記スリーブは、重量で、C0.04〜0.35％、
Mn0.2〜２％、P0.03％以下、S0.03％以下、Si1
％以下、Cr0.5〜３％、Mo0.2〜２％を含む合金
鋼からなる特許請求の範囲第１項に記載の蒸気タ
ービン用ロータシヤフト。３前記スリーブは、重量で、Ni5％以下及び
V0.5％以下の１種以上を含む特許請求の範囲第
２項に記載の蒸気タービン用ロータシヤフト。４前記スリーブは、複数個に分割された半円筒
を溶接して得た円筒であつて、前記軸受部に焼ば
めされている特許請求の範囲第１項〜第３項のい
ずれかに記載の蒸気タービン用ロータシヤフト。５前記スリーブは焼入れ後焼戻しされたもので
あつて、前記溶接後、前記焼戻し温度より高い温
度で応力除去焼鈍されている特許請求の範囲第１
項〜第４項のいずれかに記載の蒸気タービン用ロ
ータシヤフト。