JPH0559167B2

JPH0559167B2 -

Info

Publication number: JPH0559167B2
Application number: JP59010168A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Iijima; Norio Yamada; Seishin Kirihara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-01-25
Filing date: 1984-01-25
Publication date: 1993-08-30
Also published as: JPS60155653A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、高温強度・靱性のみならず高温延性
に優れ高温長時間側で切欠強化を示す鉄基超合金
に係り、特に温度600〜650℃で使用される発電プ
ラント用回転機器材として好適な鉄基超合金の製
造方法に関する。〔従来の技術とその課題〕蒸気タービンは、従来、538〜566℃の主蒸気を
使用し、Cr−Mo−Ｖ及び12Cr鋼によりロータ並
びに動翼等の回転機器が形成されている。しか
し、石油資源の減少、これに原因した電力の安定
供給に対する要請から主蒸気温度が600℃以上の
高温高圧発電プラントあるいは大容量発電プラン
トさらにはエネルギーの多様化を目的とした膨脹
タービン等が検討されている。こうした発電プラ
ントではいずれも運転条件が過酷となる。使用温
度の上昇について見れば、Cr−Mo−Ｖ、12Cr鋼
等のフエライト系材料は550℃以上の温度域で粒
界上りが顕著となりクリープ破断強度が極端に低
下する欠点が指摘され、新材料の提案が必要とさ
れる。現在、600℃以上の温度域で使用される材料と
しては、FeにCr，Niを添加したオーステナイト
系合金が一般的である。（特開昭58−77557号公
報）。したがつて、600℃以上の温度条件で使用さ
れる発電プラント用回転機器材料としては高温強
度の点から高Niオーステナイト系合金が有望視
されている。一方、前記の材料はこれまでジエツトエンジン
等比較的短時間側の強度を重視した仕様に合せて
いたため、発電プラント用機器材料に適用するに
は、10³時間以上のクリープ破断強度とともに切
欠強度（高温延性と相関）を改善する必要があ
る。特に、ブレード・ロータの様に応力集中部が存
在する機器では長時間側において切欠材のクリー
プ破断強度が平滑材のクリープ破断強度以上とな
る事（切欠強度）が重要となる。本発明の目的は、引張強さ・クリープ破断強度
等高温強度に加え高温長時間側での破断延性に優
れ切欠強化となる鉄基超合金、特に600〜650℃で
使用される高効率発電プラント用回転機器材料と
なる鉄基超合金の製造方法を提供することにあ
る。〔課題を解決するための手段〕本発明は、重量比で0.15％以下のＣ、２％以下
のMn、1.5％以下のSi、10〜20％のCr、20〜30％
のNi、0.5〜３％のMo、1.5〜３％のTi、0.1〜0.5
％のAl、0.002〜0.01％のＢ、0.4％以下のＶ、
0.008〜0.05％のMgを含有し、残部がFe及び不可
避的不純物より成る鉄基超合金を、真空度が10^-4
torr以下となる真空溶解法により溶製して製造す
ることを特徴とする鉄基超合金の製造方法であ
る。〔作用〕本発明者等は、溶製時あるいは原料より吸収さ
れる不可避的不純物であるＯ及びＨは合金の粒界
に偏析して破断延性を低下し、その結果長時間側
で切欠劣化を生じさせるため、これらのガス量を
制限する必要がある事を見いだした。Ｈの合金中での溶解度は低温において急激に低
下し、その結果これらの小間隙または小気泡は材
料に微細な割れを発生させる。このためＨの増加
は特に破断伸び・絞りを低下する傾向を示す。本
発明者等は、このＨによる延性低下を防止するた
めＨ量は略0.8ppm以下に制限するのが好ましい
ことを見出した。また、Ｏは脱酸反応により減少する一方、脱酸
反応によつて溶鋼中に生成された各種酸化物の一
部は、溶鋼中から浮上分離しないまま酸化物系非
金属介在物として残存する。これら非金属介在物
は粒界に偏析しやすくその結果クリープ破断延性
に著しい悪影響を及ぼす。本発明者等は、Ｏ量は
48ppm以下に制限すべきであることを見出した。そこで、以上の成分範囲にＯ量とＨ量を制限す
ることにより、クリープ破断延性を大幅に向上す
るために、真空度が10^-4torr以下となる真空溶解
法により溶製する必要がある。なお溶解法は、真
空酸素脱炭、真空誘導溶解等が考えられる。さら
にこの様な方法で電極を作製した後、真空アーク
再溶解を実施すればさらにガス成分を低減でき
る。また、これはエレクトロスラグ溶解で代用可
能である。また更に、Ｓも粒界に偏析し延性を低下させる
がMgを添加するとこれらはＳと結合しＳの固定
に有効である事を明らかにした。以上の現象に基づき高真空化でＯ，Ｈ量の制限
となおかつMgを添加することで高温延性に優れ
た鉄基超合金を製造することができる。次に、以下に各成分の限定理由を示す。Ｃは、炭化物を形成し高温強度、クリープ破断
強度を向上させるため重要である。しかし0.15％
を越えて添加すると靱性、溶接性を著しく低下さ
せるため、その上限を0.15％とする。 Siは、溶解製造の脱酸剤として重要な成分であ
る。しかし、Ｃ同様多量に添加すると靱性及び溶
接製を低めるため上限を1.5％とする。 Mnは、Siと同様に溶解製造の脱酸剤として、
更に熱間加工性を高めるものとして重要な成分で
ある。しかし、２％を越えると耐食性、耐酸化性
を低めるため上限を２％とする。 Niは、オーステナイト組織を形成する重要な
成分である。添加量が20％以下ではその効果が十
分でなく不安定なオーステナイト組織となる。一
方、30％を越えると熱間加工性を低める。そこで
20〜30％の範囲で添加する必要がある。 Crは、高温強度、耐食性、耐酸化性を向上さ
せるために重要な添加元素でありこの効果を得る
ため10％以上を添加すべきである。しかし20％を
越えると溶接性を低める事、フエライト相を形成
し高温長時間側での脆化を加速するためその上限
を20％とする。 Moは、オーステナイト地を強化すると共に炭
化物を形成しクリープ破断強度を向上させる。
0.5％以下ではこの効果が期待できない事、また
3.0％以上添加すると融点の低い酸化物（MoO₃）
を形成し低酸化性が非常に悪くなるため0.5〜3.0
％が良好となる。 Tiは脱酸剤として作用する以外に高温強度・
延性の向上に有効なγ′相（Ni₃（Al，Ti））を析出
させるために必要な元素である。1.5％以下では
その効果が十分期待できない事、また３％以上で
は時効硬化性のないη相（Ni₃，Ti）を析出させ
るため1.5〜3.0％を添加する。 AlはTiと結合し金属間化合物γ′相を析出する。
しかし、多量に添加すると高温強度を低下させる
ためその上限を0.5％とする。Ｂは結晶粒界を著しく強化し、かつ高温延性を
向上するために有効である。しかし多量に含有す
ると加工性を低下させるためその上限を0.01％と
する。ＶはVS，VN，VC等の析出物を形成する。こ
のうちVCは時効硬化性があり引張強さ並びにク
リープ破断強度を向上するために有効である。し
かしＶ量が増加すると耐酸化性に悪影響を及ぼ
す。そこでＶ量は0.4％以下とすべきである。 Mgについては以下のとおりである。ＳはＯと
並んで偏析係数（0.98）が最大で、もつとも偏析
しやすい元素の一つである。またFeS単独あるい
はSiO₂と共存している時割れ発生の要因となる。
このＳが脱硫技術の向上とともに低減できる様に
なつた。しかし本発明鋼の様な析出硬化型の材料
では相対的に粒界強度が低く、このためＳあるい
は硫化物の粒界偏析により高温での延性が低下す
る傾向を示す。そこで、Ｓを固定するため結合力
の高いMgを添加する。このMgは、0.008％以下
では効果が充分でないこと、また0.05％以上では
逆に延性を損なうため0.008〜0.05％に限定した。〔実施例〕第１図は本発明に依る蒸気タービンの実施例の
断面図である。図において１２で示される部位が
本発明のロータ、またロータ１２に複数植設され
ているのが動翼１０である。動翼１０間には複数
の静翼１４が設置され、さらにロータ１２は静翼
を固定する内部ケーシング１６を貫通している。
そして、内部ケーシング１６には、複数の凸部１
８が形成されており、これら複数の凸部１８が内
部ケーシング１６を内設している外部ケーシング
２０の凹部に挿入されボルト等により固定されて
いる。また外部ケーシング２０は、貫通孔部２２
においてロータ１２の両端を回転自在に支持して
おり、図において左下部に流出口２４が形成さ
れ、上部には開口２６が形成されている。主蒸気は、矢印に示す如く主蒸気管３０内を流
下し、ノズルボツクス２８を経て内部ケーシング
１６内に流入する。その後、動翼１０をロータ１
２と一体的に回転動作させ内部ケーシング１６と
外部ケーシング２０との間の空間部に入り、流出
口２４から流出する。いま、主蒸気の温度を650
℃、圧力を350Kgｆ／cm²とすると、前記蒸気ター
ビンは動翼表面において温度650〜554.3℃、圧力
350〜199Kgｆ／cm²の運転条件となる。

【表】

〔発明の効果〕

本発明によれば、溶解時の真空度を10^-4torr以
下として合金中に不可避的不純物として含まれる
Ｏの量を48ppm以下、Ｈの量を0.8ppm以下する
と共に、更にMgを添加したので、破断絞り40％
以上を満足してクリープ破断延性を大幅に向上で
きる。その結果、切欠材のクリープ破断強度の良
好な600〜650℃超々臨界圧タービン用回転機器と
して好適なFe基超合金を提案できることが明ら
かとなつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は超々臨界圧タービンの断面図、第２図
はクリープ破断延性とＯ，Ｈ量との関係図、第３
図は溶解時の真空度とクリープ破断絞りとの関係
図、第４図はクリープ破断強度を示す図である。１０……動翼、１２……ロータ、１３……静
翼、１６……内部ケーシング、１８……内部ケー
シング（凹部）、２０……外部ケーシング、２２
……貫通孔部、２４……流出口、２６……開口、
２８……ノズルボツクス、３０……主蒸気管。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量比で0.15％以下のＣ、２％以下のMn、
1.5％以下のSi、10〜20％のCr、20〜30％のNi、
0.5〜３％のMo、1.5〜３％のTi、0.1〜0.5％の
Al、0.002〜0.01％のＢ、0.4％以下のＶ、0.008〜
0.05％のMgを含有し、残部がFe及び不可避的不
純物より成る鉄基超合金を、真空度が10^-4torr以
下となる真空溶解法により溶製して製造すること
を特徴とする鉄基超合金の製造方法。