JPH05450B2

JPH05450B2 -

Info

Publication number: JPH05450B2
Application number: JP61064793A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Moryama; Jiro Sano; Satoru Tanimoto
Original assignee: NIPPON CHUTANKO KK
Current assignee: NIPPON CHUTANKO KK
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1986-03-25
Publication date: 1993-01-06
Also published as: JPS62222027A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、長時間加熱胞化の少い高温強度と靱
性に優れた耐熱ローターの製造法に関するもので
ある。（従来の技術）火力発電設備の高効率化と大容量化は、蒸気の
圧力、温度を高める方向に移行し、蒸気タービン
ローターに対して、高温における特性向上が強く
要請されている。これらの特性の中には、高温強
度や高温での長時間クリープ破断強度が大きいこ
とや、クリープ延性が要求されることは勿論であ
るが、それと共に、長時間の使用中における靱性
の低下の少い材質を得ることも非常に重要な点で
ある。これらの要求に対して、最近種々の新しい製造
法の開発が行われ、品質改善が行われている。例
えば特公昭60−54385公報や、特開昭59−101252
公報、更には特開昭60−13056公報等に示されて
いるように、NbやＶを添加して、これらの元素
の炭・窒化物の生成効果と細粒化効果によるクリ
ープ破断強度や、靱性の向上を狙つたもの等が散
見される。（発明が解決しようとする問題点）これらの従来法は、クリープ破断強度や靱性の
向上等には充分考慮され、550℃強度迄の温度に
おけるクリープ破断強度や、クリープ延性、靱性
はいずれも良好であるが、長時間高温で保持され
た時の靱性低下については、考慮されていなく、
靱性の劣化が大きいという欠点がある。（問題点を解決するための手段）そこで本発明者らは、上記既存技術の問題点を
考慮した結果、Ｃ、Cr、M₀、Ｖ、Nb等や、必要
に応じＮ、Ｂの適量添加を行い、更に適当な熱処
理を行えば、長時間加熱脆化を助長するSiMn量
を低減させること、Sn、Sb等の脆化促進不純物
を一定量以下に低減させること、及びＰ含有量を
低減させることによる効果と、必要に応じてCa
の添加を行うことにより、高温強度、クリープ破
断強度には影響を及ぼすことなく、長時間加熱脆
化を大幅に軽減せしめることが可能であるとい
う、新規な知見に基く製造法により、高温特性が
優れ、靫性劣化の少い耐熱ローターの製造が可能
であることを見出した。即ちMnは地鉄及び炭化物に一部固溶し、θ相
を形成し、又炭化物の地鉄に対する溶解度を増加
するため、長時間加熱脆化を助長させる。又、
Sn、Sbは地鉄中に固溶し、特に粒界脆化を著る
しくする。又Ｐ、Siは、Mnとの共存で、特にCr
量が多い鋼の場合、長時間加熱脆化を著るしく助
長する。従つてこれら各元素の低減により、その
重畳効果を含めて、靭性劣化の防止を大きく期待
できる。又Caは微細な介在物の形態制御によつて、初
期靭性を向上させることができると共に、粒界の
清浄効果によつて、高Cr鋼の焼戻脆化、特に長
時間加熱脆化を減少せしめる等の知見を見出し
た。又更にNbの添加により、Nb（Ｃ、Ｎ）を生成
せしめ、Nb（Ｃ、Ｎ）の一部が、未固溶である温
度に加熱することによつて、オーステナイトの成
長を抑制し、細粒オーステナイトから焼入れるこ
とによつて、細粒マルテンサイトを晶出せしめ、
続く焼戻し時に地鉄中に溶解していたNb（Ｃ、
Ｎ）の一部が、極めて微細で均一に析出すること
と、細粒の焼戻マルテンサイトであるため粒界面
積を拡げ、Mn、Si、Ｐ、Sn、Sb等の粒界脆化を
促進する元素を、少くしたこととの重畳効果によ
り、著るしく長時間加熱脆化が抑制されること等
の知見を見出した。即ち、本発明は以上の知見に基いてなされたも
のであり、その要旨とするところは、重量％でＣ
0.15〜0.25％、Si 0.10％以下、Mn 0.10％未
満、それ以上を添加したCr Ni 1.0％以下、10〜
13％、Mo １〜３％、Ｖ 0.15〜0.30％、Nb
0.02〜0.07％未満、Al 0.015％以下、Sb、Snの合
金が0.0035％以下であり、必要に応じてCa 0.001
〜0.004％、Ｂ 0.0005〜0.005％、Ｎ 0.02〜0.04
％の１種又はそれ以上を添加した鋼を成形した後
に、1000〜1100℃の温度に加熱して加速冷却を行
つた後に、600℃以上に再加熱して製造すること
を特徴とする。以下に本発明を更に詳細に説明する。先ず、本発明の対象とする鋼を構成する化学成
分の限定理由を説明する。最初にＣは強度確保上必要な元素であるが、
0.15％未満の低い含有量では、焼入性の良い本発
明の規定する成分でも、焼入硬さの確保が困難
で、従つて焼戻し後の強度確保、ひいては高温で
のクリープ破断強度の確保ができない。一方0.25
％を超える量添加した場合は、靭性の劣化やクリ
ープ延性の劣化等が起り好ましくない。従つて
0.15〜0.25％とする。 Siは強度を向上させる効果があるが、前述した
ように本発明に規定する鋼の場合、ＰやMnと共
有して、焼戻脆化や長時間加熱脆化を助長する。
この傾向は、特に0.1％を超えると著るしい。従
つて上限のみを規定し、0.1％とした。下限は特
に規定しないが、製鋼上の脱酸元素でもあり、
Al含有量との兼ね合いによつて、鋼中の酸素量
に影響する。好ましくは0.02〜0.07％である。 Mnは焼入性を向上させ強度を上げ、オーステ
ナイトの生成元素であり、δフエライトの生成を
防止する等の効果があるが、前述のように本発明
を構成するポイントの１つで、長時間加熱脆化の
防止の点からは低い方が好ましいが、あまりに低
いと精錬技術上の問題が生じ不経済になる。これ
らの点を考慮して、上限のみを定め0.10％未満と
した。Ｐは初期靭性を劣化させ、MnやSiと共に粒界
脆化の原因となつて、使用中に材質劣化を来す。
これも低い程良好であるが、上限のみを定め
0.015％以下とした。Ｓは初期靭性特にシエルフエネルギー値を低下
せしめるため、低い程好ましいが、これも精錬上
の理由であまり高いと不経済である。ここでも上
限のみを規定し0.01％以下とした。 Niは地鉄中に固溶し靭性を向上させる効果が
あるが、本発明の対象とするローターでは、過度
に含有された場合、高温長時間使用中にCr、
Nb、Mo、Ｖ等の炭・窒化物を凝集させ、クリー
プ延性の低下を来すことがある。この限界量が
1.0％であるため、上限値のみを規定し1.0％以下
とした。 Crは本発明の対象とするローター構成する鋼
での基本的元素で、高温における耐食性を保持す
るためと、炭化物M₂₃C₆のＭ中に入つて炭化物を
安定させ、クリープ破断強度を維持させるために
添加するもので、10％未満では炭化物生成後のマ
トリツクスのCr濃度の低下で耐食性に難点を生
じ、又一方13％超では、本発明の対象鋼では変態
点がなくなり、結晶粒度の異常成長による靭性劣
化が起るからである。 Moは本発明を構成する鋼では、固溶体強化作
用、M₂₃C₆の安定化作用、Laves相（Fe₂Mo）と
して析出作用を有し、高温クリープ強度を確保す
る上で添加する。下限を１％としたのは、これ未
満ではこれらの効果が、本発明の対象とするロー
ターの使用温度では少いためであり、又上限を３
％としたのは、これを超える量では添加量に比し
て効果の期待が少く、経済的でないためである。Ｖは炭化物や、炭・窒化物、V₄C₃、Ｖ（Ｃ、
Ｎ）あるいはM₂₃C₆のＭ中に入つて、析出硬化作
用を生じ、本発明の対象とする鋼の高温クリープ
破断強度を確保する意味で極めて重要である。下
限量を0.15％としたのは、これ未満ではこれらの
効果が充分に期待できないからであり、一方添加
量を過多にすると、これらの効果が飽和するばか
りか、かえつて靭性やクリープ延性を劣化させ
る。このため上限を0.3％とした。 Nbは本発明の重点元素の１つで、焼入加熱温
度への加熱の際のオーステナイト粒度成長の抑制
や、焼入後の焼戻し又は高温使用中での微細Nb
（Ｃ、Ｎ）の析出によるクリープ破断強度の向上
効果がある。これらの効果により、長時間加熱脆
化を、抑制するのを助長するのは前述の通りであ
る。これらの効果を有効ならしめる下限量は0.02
％である。一方添加量が多過ぎると、長時間加熱
の際Nb（Ｃ、Ｎ）の顕著な凝集粗大化を生じ、ク
リープ破断強度を低下させることがある。更にNbは鋼塊の凝集時にＣと結びつき、NbC
の粗大一次共晶として晶出し、これが後工程の熱
処理によつても鋼片中に均等に拡散固溶せず、こ
れがクリープ破断強度の低下並びに著るしい靭性
低下をもたらすことになる。このNbの限界量が
0.07％であり、Nbの上限量を0.07％未満としたの
はこれらのためである。 Alは脱酸剤として添加されるが、Ｎとの親和
力が強いためＮを固定し、Ｖ（Ｃ、Ｎ）、Nb（Ｃ、
Ｎ）のスムーズな形成を阻害して、結果としてク
リープ破断強度等の低下を来す恐れがある。従つ
て上限のみを規定し0.015％以下とした。 Sb、Snは長時間加熱時の粒界脆化を著るしく
助長するため、できるだけ減少するのが好ましい
が、他の不可避的元素と同様、減少させるのに経
済的問題もあり、特に脆化が顕著になる限界量と
して、SbとSnの和を0.0035％以下とした。以上が基本的元素であるが、更に本発明では前
記以外の元素として、Ca、Ｂ、Ｎを必要量添加
しても、同様の特性の鋼を得ることができる。 Caは前述の如く、微量なＳの含有に共う介在
物の形態制御により、初期靭性を向上させると同
時に、粒界の清浄化による酸化抑制効果がある。
これらの効果を期待するためには、0.001％以上
の添加が必要である。このため下限量を、0.001
％とした。又過多に添加すると、著るしく介在物
量が増加して靭性を低下させる等の欠点を生じ
る。従つて上限量を0.004％とした。ＢはNbとの共存で、焼入性向上効果の他に、
炭化物の地鉄中の粒状析出作用を示し、又粒界の
析出物を不連続的にする等の作用がある。本発明
で下限量を0.0005％としたのは、これらの効果を
期待するからであり、これ未満では不充分であ
る。一方0.005％を超える量では、特に長時間の
高温保持で、粒界の炭化物を過度に凝集させる。
従つて0.0005〜0.005％とした。Ｎは不可避的元素として0.02％未満を含有す
る。Ｃとほぼ同様な作用をし、地鉄の強度を上げ
る効果やNb、Ｖ等を結びついて、Nb（Ｃ、Ｎ）、
Ｖ（Ｃ、Ｎ）となり、クリープ破断強度の向上や、
本発明の効果の１つである。加熱の際のNb（Ｃ、
Ｎ）のピンニング効果によるオーステナイト粒度
成長抑制効果があるが、添加量が多いと靭性を低
下させる危険性がある。これらを充分に満足する
限界量は0.02〜0.04％であり、Ｎを意識的に含有
させる場合は、合計Ｎとして0.02〜0.04％とし
た。次に本発明における製造条件の限定についてそ
の理由を説明する。先ず、本発明においては、前述の如き化学成分
を有する鋼を、ローターとして成形するのである
が、成形方法は特に指定しないが、適正な条件下
での鍛造及び機械加工によるのが好ましい。成形後所定の機械的性質を確保する目的で熱処
理を行うが、この場合の焼入前の加熱温度は1000
〜1100℃と規定した。下限を1000℃と決めたの
は、Cr、Ｖ、Nb、Mo等の炭化物、炭・窒化物
の地鉄中への溶解を行い、焼戻時及び高温使用時
に、これらの析出を継続させて、クリープ破断強
度を確保する目的であり、1000℃未満ではこれら
炭化物、炭・窒化物の溶解が不充分であるからで
ある。又一方、上限を1100℃と決めたのは、上述の
Nb（Ｃ、Ｎ）の加熱時のピンニング効果によるオ
ーステナイト粒成長抑制の目的からであり、1100
℃超の加熱温度ではNb（Ｃ、Ｎ）が完全に溶解し
て、この効果が期待できないからである。加熱時の加速冷却は、本発明に規定する化学成
分の鋼は、極めて焼入性がよく、充分に焼入深度
が得られ易いため、油焼入れ、圧搾気体や気水冷
却による冷却等の緩冷却も好ましいが、特に規定
はしない。要は均一な焼入組織を得るように、管
理された手段であればよい。又加速冷却の終了温度は、焼入組織が全断面で
得られるような温度が必要であり、特に限定はし
ないが、好ましいのは200℃以下である。次に加速冷却後焼戻しを行うが、再加熱により
600℃以上の温度に加熱して行う。これは硬化組
織の軟化と、これに付随する高靭化及び固溶して
いたCr、Ｖ、Nb、Moの炭化物、炭・窒化物の
微細析出を目的としたものである。ここで600℃以上と限定したのは、600℃より低
い温度での焼戻しでは、使用時の高温長時間保持
中の強度の低下が著るしく、所定の目的を達せら
れなく、又良好な靭性が期待できないからであ
る。又上限は特に規定しないが、Ac₁変態点に達
すると、強度、靭性共劣化するので、工業的に可
能な管理条件を考慮して、Ac₁変態点より50℃以
上低い温度とするのが好ましい。次に本発明の効果を実施例により更に具体的に
説明する。（実施例）表１に示す化学成分を有する鋼を溶製し、同表
欄外に示す方法で鋼片を作成し、それぞれ表２に
示す製造条件で加熱、加速冷却焼戻を行い試験に
供した。靭性については、長時間加熱脆化試験と
して、550℃×1000時間保定の熱処理を行つて、
焼戻後と比較した。試験結果を表２に併せて示す。これらによつて、本発明によるNo.１〜No.５の鋼
は、いずれも本発明の目的とする長時間加熱脆化
の少い、これも高いクリープ破断強度を兼ね備え
た鋼が得られていることがわかる。これに対し、No.６〜No.８は、化学成分が本発明
の規定値より外れたもので、いずれも長時間加熱
後の靭性が劣る結果を示しており、本発明の効果
による差が顕著に示されている。

【表】

【表】 mmの鋼に鍛造した。

【表】各鋼片は、上記表の焼入加熱温度にそれぞれ加熱後
、ローター中心部の冷却速度をシユミレートし
た加速冷却を行つた。
（発明の効果）以上の実施例からみても明らかな如く、本発明
によれば、従来法により得られた鋼に比して、長
時間加熱脆化が少く、しかもクリープ破断強度の
高い耐熱ローターを製造することができ、産業上
の効果は顕著なものがある。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％で、Ｃ 0.15〜0.25％ Si 0.10％以下 Mn 0.10％未満 Cr 10〜13％ Ni 1.0％以下 Mo １〜３％Ｖ 0.15〜0.30％ Nb 0.02〜0.07％未満Ｐ 0.015％以下Ｓ 0.010％以下 Al 0.015％以下 Sb、Snの合金が 0.0035％以下残部がFeと不可避的不純物からなる鋼を成形
後、1000〜1100℃に加熱、加速冷却を行つた後、
600℃以上に再加熱して製造することを特徴とす
る耐熱ローターの製造法。２重量％で、Ｃ 0.15〜0.25％ Si 0.10％以下 Mn 0.10％未満 Cr 10〜13％ Ni 1.0％以下 Mo １〜３％Ｖ 0.15〜0.30％ Nb 0.02〜0.07％未満Ｐ 0.015％以下Ｓ 0.010％以下 Al 0.015％以下 Sb、Snの合金が 0.0035％以下及び Ca 0.001〜0.004％Ｂ 0.0005〜0.005％Ｎ 0.02〜0.04％の１種又は２種以上残部がFeと不可避的不純物からなる鋼を成形
後、1000〜1100℃に加熱、加速冷却を行つた後、
600℃以上に再加熱して製造することを特徴とす
る耐熱ローターの製造法。