JPH04120239A - 高強度・高靭性低合金鋼 - Google Patents

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・高靭性低合金鋼に関し、蒸気タービン
ロータ材、ガスタービンのロータ材やディスク材に有利
に適用でき、特に低温の蒸気に曝される部分は優れた靭
性と強度を、高温の蒸気に曝される部分は優れた高温ク
リープ破断強度を有し、高低圧一体型蒸気タービンロー
タ材として使用するに適する高強度・高靭性低合金に関
する。

〔従来の技術〕

蒸気タービンのロータ材には低合金鋼の大型鍛造品が用
いられるが、近来のように蒸気タービンプラントの容量
が大きくなると、ロータ材の性状の制約上の面から高圧
側と低圧側の２車室に分けられて製造され、それぞれの
ロータ材としては、たとえば第１表に示すように、高圧
側の車室のロータ材には高温強度（例えば、クリープ破
断強さ）の優れた化学組成を有する材料を使用し、低圧
側の車室のロータ材には常温強度（例えば、耐力）や靭
性（例えば、■シャルピー衝撃値）の優れた化学組成を
有する材料を使用している。

さらに大容量の蒸気タービンプラントでは、高圧、中圧
及び低圧の３車室に分けて製造され、中圧側の車室のロ
ータ材には、中程度の温度（概ね４８０℃まで）で優れ
た高温強度と常温附近の温度で優れた靭性を有する化学
組成の材料が用いられている。

しかし、上記のように従来のロータ材を用いて蒸気ター
ビンを２車室又は３車室に分けて製作すると蒸気タービ
ンのコスト高を招き経済的に極めて不利である。特に、
５０〜２０ＯＭＷクラスの中小型の発電用蒸気タービン
用ロータ材については、プラントの小型化、機構の簡略
化、立地面積の縮小などの見地から高圧側から低圧側ま
でを同一の材質を用いることが考えられており、それら
のロータ材の化学組成としては第２表に示したようなも
のがある。一方、近年の蒸気タービンプラントは、ます
ます高温化（従来、発電用蒸気タービンの使用蒸気温度
は高々５００℃）や大容量化（従来、発電用蒸気タービ
ンの容量は高々７５ＭＷが多い）の傾向があり、さらに
はガムタービンと蒸気タービンの複合発電プラントにお
いては、蒸気タービンの大型化とともに起動時間の短縮
化が求められており、それらの要求に応えるためには第
′２表に示した従来型改良材では強度及び靭性の観点か
らロータの性状は不十分である。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、本発明者等は高温及び常温でも強度を有し、か
つ常温でも優れた靭性を有する化学組成の高低圧一体型
蒸気タービン用ロータ材を開発すべく鋭意研究を重ねた
。その結果、先に高低圧一体型蒸気タービン用ロータ材
として、２％ＣｒＭｏ％ｌ鋼を提案した（特公昭５４−
１９３７０号公報）。さらに、この２ＡＣｒＭｏＶ鋼に
Ｎｂを添加した低合金鋼による高低圧一体型蒸気タービ
ン用ロータ材も提案した（特開昭６０−２４５７７２号
公報）。また、ＣｒＭｏＶ鋼にＮｂを添加したものもあ
る（特公昭５８−１１５０４号公報）。この２％ＣｒＭ
ｏＶ鋼、２　’７４　ＣｒＭｏＶ鋼ｂ鋼及びＣｒＭｏＶ
鋼にＮｂを添加した低合金鋼の高低圧−体型低合金鋼の
化学組成について、前記第２表に併せて示す。このよう
な発電用蒸気タービン用高低圧一体型タービン用ロータ
では一本のロータで高圧部及び中圧部においては高温強
度を、また低圧部においては靭性及び引張強さや耐力の
すぐれていることが必要である。

しかしながら、従来から提案されている第２表に示すよ
うな化学組成の高低圧一体型ロータ材は次のような点に
問題がある。すなわち、第２表に示す化学組成よりなる
ロータのロータ直径的φ１６００ｍｍ以上となる場合に
は高圧部の高温強度や、低圧部の中心部の靭性も充分で
ない。

従って本発明は第２表に示す化学組成よりなるロータの
材料特性に比べて高圧部及び低圧部で優れた強度特性を
発揮でき、また低圧部で優れた靭性を発揮でき、常に所
要の性状を発揮させ得る高強度・高靭性低合金鋼を提供
しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は （１）重量比で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｌ：０
．１５％以下、Ｍｎ：１２％以下、Ｎｉ：０．５〜２％
、Ｃｒ　：　２〜３．５％、Ｍｏ：　０．５〜１．５％
、＠：ｏ、２５〜１％、Ｖ：０．１〜０．３５％を含有
し、残部がＲｅ及び不可避的不純物元素からなる高強度
・高靭性低合金鋼。

（２）上記（１）の高強度・高靭性低合金鋼に、さらに
Ｎｂ及び／又はＴａを０．１％以下含有させてなる高強
度・高靭性低合金鋼 である。

前記第２表のうちの従来型改良材３件の鋼材に較べて、
本発明の低合金鋼ではＮｉ　、　Ｃｒの各元素の含有量
の上限が多くなっている。これは、近年高低圧一体型蒸
気タービンプラントの発電容量が大きくなり（従来、高
々７５ＭＷであった出力容量が、近年２００Ｍｌ１ｉ）
、そのためロータ材も大型となり、焼入性向上を図る必
要が生じ、焼入性向上のだめの合金元素が多く必要にな
ったためである。さらに、本発明の低合金鋼では高温強
度特性向上のために胸を新たに添加するとともにＭｏ含
有量が多くなっている。すなわち、本発明のロータ材は
従来の高低圧一体型蒸気タービン用ロータ材よりも高温
の蒸気に曝される部分（高圧側）は高温強度がすぐれ、
クリープ破断試験においても切欠強化（切欠クリープ破
断時間が平滑クリープ破断時間より長い）を示し、また
、低温の蒸気に曝される部分（低圧側）は常温において
も優れた強度（耐力）と靭性を有する低合金鋼で、次の
化学組成（重量百分率）を有するものである。

炭　　素　　（Ｃ） けい素　（Ｓｉ） マンガン（Ｍｎ） ニッケル（Ｎｉ） クロム　（Ｃｒ） モリブデン（Ｍｏ） タングステン（Ｗ） バナジウム（Ｖ）： ＊ニオブ　（Ｎｂ）　　： ＊タンタル（Ｔａ）　　： 鉄　　　　　（Ｆｅ）　　： ０．１５〜０．３５％ ０．１５％以下 １．２％以下 ０．５〜２％ ２〜３．５　％ 二０．５〜１．５　％ ：　　０．　２　５〜１　％ ０．１〜０．３５％ ０．１％以下 ０．１％以下 残部 その他、通常の製鋼では避けられない不純物元素（例え
ば、Ｐ、Ｓ、０．５％まテ（７）　Ｃｕなど）からなる
低合金鋼である・。該鋼は８８０〜１０５０℃の温度か
ら焼入れで、５５０〜７５０℃の温度で焼もどし処理を
行なって高低圧一体型蒸気タービン用ロータ材として使
用しうる。

〔作用〕

以下に、本発明の低合金鋼の組成及びその含有量の限定
理由を説明する。

炭素（Ｃ）　：　Ｃは焼入性を増大させ、耐力や靭性を
確保するためには必要不可欠な元 素であり、本発明材に必要な耐力や 靭性を発現させるためにはｏ、１５％ 以上必要であるが、あまり多量に添 加するとかえって靭性を害し、又加 工性が悪くなるので、その含有量を ０．１５〜０．３５％とした。

けい素（Ｓｉ）　　：　Ｓｉは溶鋼の脱酸剤として有効
な元素で−ある。しかし、Ｓｉは多く添加すると脱酸に
よる生成物である５１０２が鋼中に残存し、鋼の清゛浄
度を害し マンガン ニッケル 靭性を低下させ、また、クリープ破 断伸び（延性）を低下させ、更に、 高温使用中において焼もどし脆性を 助長するので、その含有量を０．１５ ％以下とした。

なお、近年低合金鋼には真空カー ボン脱酸法やエレクトロスラグ再溶 解法が適用され、必ずしもＳｉ脱酸を 行なう必要がなくなってきており、 Ｓｉ量は低減できる。

（Ｍｎ）　　：　Ｍｎは溶鋼の脱酸、脱硫剤として有効
であり、また、焼入性を増大 させて強度を高めるのに有効な元素 である。しかし、あまり多く添加す ると、靭性及び延性を害するので、 その含有量を最大１．２％とし−た。

（Ｎｉ）　　：　Ｎｉは鋼の焼入性を増大させ、室温に
おける強度及び靭性を高める のに有効な元素で特に靭性向上に有 効である。また、これらの効果・はＮ１クロム 及びＣｒ両元素の含有量の多い場合に は、その相乗効果により著しく増加 する。しかし、Ｎｉはあまり多く添加 すると、高温強度（クリープ強さ、 クリープ破断強さ）を害し、また、 焼もどし脆性を助長するので、その 含有量を０．５〜２％とした。

（Ｃｒ）：Ｃｒは通常のロータ用低合金鋼の添加元素と
して最も重要な元素であ る。Ｃｒを鋼に添加すると耐食・耐酸 化性を改善し焼入性を増大させて、 室温における引張性質を向上させる。

また、これらの効果はＮｉ及びＣｒ両元素の含有量の多
い場合にはその相乗 効果により著しく増加する。更に、 Ｃｒはクリープ強さやクリープ破断強 さなど高温強度の改善にも有効な元 素である。但し、３．５％を越すと靭 性は改善されるが、高温強度の大巾 な改善は難しく多量の添加は必要な ブデン い。また、上述のように焼入性（ベ イナイト焼入性）を向上させるので、 ロータ材の質量効果を考慮して、そ の含有量を２〜３．５％とした。因み に、従来、高温ロータ材としてはＣｒ 量は１％程度が最適といわれてきた が、靭性向上の観点からロータ材の 大型化の場合、焼入性を考慮すると Ｃｒ量は若干冬目の前記含有量が最適 である。

（Ｍｏ）　　：　ＭｏはＣｒと同様に通常のロータ用低
合金鋼の添加元素として重要 な元素である。Ｍｏを鋼に添加すると 焼入性を増大し、また、焼もどし時 の焼もどし軟化抵抗を大きくして常 温の強度（引張強さ、耐力）の増大 に有効である。また、Ｍｏは固溶体強 化元素として、又、炭化物を生成し て析出強化作用元素としてクリープ 強さやクリープ破断強さなど高温強 度の向上に非常に有効な元素である。

更に、Ｍｏは０．５％程度以上添加すると鋼の焼もどし
脆性を阻止する元素 として非常に有効な元素である。し かし、あまり多く添加すると、その 効果は飽和し、かえって靭性を害す る。また、Ｍｏは高価な元素であり、 あまり多く添加するとコスト高にも なる。そこで、ロータ材が大型化し た場合の質量効果（焼入性）を考慮 してＭｏ量は０．５〜１．５％とした。

タングステン（Ｗ）：Ｗは固溶体強化元素としてクリー
プ強さやクリープ破断強さな ど高温強度の向上に非常に有効な元 素である。しかし、あまり多く添加 すると凝固偏析等大型鋳造品として 好ましくない現象もでてくるのでＷ 量は０．２５〜１％とした。

バナジウム（Ｖ）　：　ＶはＭｏと同様に常温における
強度（引張強さ、耐力）の向上に有 ニオブ 効な元素である。固溶体強化元素と して、又炭化物を生成して析出硬化 作用元素としてクリープ強さやクリ ープ破断強さなど高温強度を増加さ せる元素として重要な元素である。

更にＶはある程度の添加範囲（０，０３〜０．３５％）
の添加量であれば結晶 粒を微細化させて靭性向上にも有効 である。

しかし、あまりに多量に添加する と靭性を害し、また、Ｖも高価な元 素でありコスト高となるので、その 含有量は０．１〜０．３５％とした。

（Ｎｂ）二ＮｂはＶと同様に引張強さや耐力などの常温
強度並びにクリープ強さ やクリープ破断強さなど高温強度の 増大に有効な元素であると同時に結 晶粒を微細化させ靭性向上に非常に 有効な元素であるが、０．０１％未満 ではその効果は充分でない。本発明 の低合金鋼ではＮｂ添加は強度の上昇 にあまり期待せず、結晶粒微細化に よる靭性向上を期待しており、あま り多く添加すると多量のＮｂ炭窒化物 を形成し、かえって靭性を害し有効 でない。そこで、Ｎｂの含有量は０．１％以下とした。

タンタル（Ｔａ）　　：　Ｔａは上記Ｎｂと同じ効果を
有している。但し、Ｎｂ及びＴａについては、いずれも
含有しないか又は、いずれ かの１種を含有するものとする。

その他：Ｐ、Ｓ、Ｃｕなどは不純物を元素として製鋼の
原材料より混入され避けられ ないものであるが、これらはできる だけ低い方が望ましい。しかし、原 材料を厳選するとコスト高となるの で、Ｐは０．０１５％以下、Ｓは０．０１％以下、Ｃｕ
は０．５％以下が望ましく、その他の不純物元素として
、Ａ１．　Ｓｎ。

Ｓｂ、　Ｐｂ、　Ａｓなどがある。

〔実施例〕

第３表に示す化学組成の本発明低合金鋼を実験室的規模
の真空溶解炉にて溶解し、５０ｋｇ１２４塊を溶製した
。

これらの鋼塊を実機ロータの加熱・鍛造高低（据込１／
２．８Ｕ、鍛伸３．７Ｓの鍛練）を行って小型鍛造材を
製作した。その後、この鍛造材を結晶粒度調整を目的に
予備熱処理（例えば、１０５０℃空冷及び７２０℃空冷
）を施した。

この鍛造材を高低圧一体型ロータ材として高圧部にあた
る部分の最大径φ１６００ｍｍの強制空冷及び低圧部に
あたる部分の最大径φ２０００＝の水焼入時の中心部及
び外周部の焼入冷却速度をシミュレートした熱処理をそ
れぞれ行なった。すなわち、高圧部にあたる部分の熱処
理として９５０℃で加熱して完全にオーステナイト化後
、 高圧部中心部の焼入冷却速度（９５０℃〜３００℃の平
均）：約２５℃／Ｈｒ （供試材へとする） 高圧部外周部の焼入冷却速度（９５０℃〜３００℃の平
均）：約１６００℃／Ｈｒ（供試材Ｂとする） の２通りの冷却速度で焼入れした後、供試材Ａ及びＢを
６６０℃で焼もどしを行なった。なお、上記供試材Ａ及
びＢは焼もどし処理により、先進型高低圧一体型蒸気タ
ービンロータの高圧部の設計に必要な強度すなわち０．
２％耐力が〜７４ｋｇ／ｍｍ２になるように調整（焼も
どし熱処理により強度レベルを調整）した。なお、こ＼
でいう「先進型」とは蒸気温度が５９３℃で、従来の５
３８℃に比して高温タービンとなっているものを意味す
る。

低圧部にあたる部分の熱処理条件として９００℃で加熱
して完全にオーステナイト化後、低圧部中心部の焼入冷
却速度（９００℃〜３００℃の平均）：約５０℃／Ｈｒ （供試材Ｃとする） 低圧部外周部の焼入冷却速度（９００℃〜３００℃の平
均）：約１６００℃／Ｈｒ（供試材りとする） の２通りの冷却速度で焼入れした後、供試材Ｃ及びＤを
６３０℃で焼もどしを行なった。なお、上記供試材Ａ及
びＢは焼戻し処理により、先進型高低圧一体型蒸気ター
ビンロータの低圧部の設計に必要な強度すなわち０．２
％耐力が〜７９ｋｇ／＋ｎｍ’になるように調整した。

また、前記の本発明の低合金鋼の他に、現状の２％Ｃｒ
ＭｏＶ鋼を前記と同じようにして溶製しく比較材Ｅ）、
両者性状を比較した。

供試材Ａ−Ｄの引張試験及び衝撃試験の結果を第４表に
示し、クリープ破断試験の結果を第５表に示す。

また、クリープ破断強さをラーソン・ミラー・パラメー
タで整理して、金属材料技術研究所のクリープ試験温度
・シー）Ｎ［Ｌ９Ａ（従来の高圧ロータ材ＣｒＭｏＶ鋼
のデータ）と比較して第１図に示す。すなわち、第１図
はラーソン・ミラー・パラメータＴ　（２０＋１ｏｇ　
ｔ）ｘ　１０−３　（コこで、Ｔはクリープ試験温度（
°Ｋ）、ｔはクリープ破断時間（ｈｒ）　）と応力（ｋ
ｇ／ｍｍ”）の関係を示すもので、○は高圧部中心部相
当の供試材Ａ１・は高圧部外周部相当の供試材Ｂを示す
。

高圧部相当の供試材Ａ及びＢの０．２％耐力は７４　ｋ
ｇ／ｍｍ２以上、低圧部相当の供試材Ｃ及びＤの０．２
％耐力は７９　ｋｇ／ｍｍ”以上の強度レベルとなって
おり、先進型高低圧一体型蒸気タービンロータとして十
分な強度を有している。

また、クリープ破断試験では、第２図に示す平滑−切欠
組合せ試験片を用いており、いずれの試験条件でも平滑
部で破断しなおり、切欠強化で良好である。その上、ク
リープ破断強度は従来の高圧ロータ材ＣｒＭｏＶ鋼デー
タバンドの上限にある。これを、５５０℃Ｘ１０Ｓｈで
のクリープ破断強度で比較すると、第１図より本発明は
（７＝　１６　ｋｇ／ｍｍ’、従来のＣｒＭｏＶ鋼はσ
＝１３　ｋｇ／ｍｎ＋２となり、従来のＣｒＭｏＶ　ｍ
に比べて高温強度が向上している。

なお、伸び・絞りも一般の低圧ロータで要求される伸び
１６％以上、絞り４５％以上を十分に満足している。一
方、衝撃特性であるが、従来の高低圧一体型ロータの低
圧側の５０％ＦＡＴＴ（５０％延性破面率）の目標値は
＋８０℃以下であるが、今後は起動光停止コストの低減
及びガスタービンとのコンバインド化などからより低い
ＦＡＴＴが要求される。比較材Ｅは現状の２ｙ４ＣｒＭ
ｏＶ鋼高低圧一体型蒸気タービンロータであるが、低圧
部の中心部の比較材ＥのＦＡＴＴは６８℃と高く、高低
圧一体型蒸気タービンロータが大型化した場合、靭性に
ついては若干信頼性の点で問題があり改善が必要である
。

一方、本発明材は供試材Ａが＋４５℃で、供試材Ｂが０
℃、供試材Ｃが＋３０℃、供試材りが−８℃と、ＦＡＴ
Ｔは低下し靭性は大巾に改善されている。

これから明らかなように、耐カフ０〜８０ｋｇ／ｍｍ　
２で比較的常温強度がすぐれかつ靭性も改善され（一般
高圧ロータ材の中心部の５０％ＦＡＴＴ：＋８０〜１２
０℃）、更に、クリープ破断強さは従来の高圧ロータ材
以上の高温強度レベルの優れた性状を有していることが
判明した。

〔発明の効果〕

以上述べた如く、本発明は室温強度、高温強度及び靭性
に優れ、従来のものよりも信頼性が高く、またより大型
の高低圧一体型蒸気タービンロータに適したロータ材を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロータ材のクリープ破断強さのラーソ
ン・ミラー・パラメータと応力との関係を示す図であり
、第２図は、ラーソン・ミラー・パラメータ測定に使用
したクリープ破断試験片（平滑−切欠組合せ型）の断面
図を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量比で、Ｃ：０．１５〜０．３５％、Ｓｉ：０
   ．１５％以下、Ｍｎ：１．２％以下、Ｎｉ：０．５〜２
   ％、Ｃｒ：２〜３．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｗ
   ：０．２５〜１％、Ｖ：０．１〜０．３５％を含有し、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物元素からなることを特徴
   とする高強度・高靭性低合金鋼。
2. （２）請求項（１）の高強度・高靭性低合金鋼に、さら
   にＮｂ及び／又はＴａを０．１％以下含有させてなるこ
   とを特徴とする高強度・高靭性低合金鋼。