JPH0563544B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な耐熱鋼に関し、特に、ガスター
ビン等に好適な加熱脆化の少ない耐熱鋼に関す
る。 〔従来の技術〕 現在、ガスタービン用デイスクにはCr−Mo−
Ｖ鋼が使用されている。 近年、省エネルギーの観点からガスタービンの
熱効率の向上が望まれている。熱効率を向上させ
るにはガス温度及び圧力を上げるのが最も有効な
手段であるが、ガス温度を1100℃から1300℃に高
め、圧縮比を10から15まで高めることにより相対
比で約３％の効率向上が期待できる。 しかし、これらの高温・高圧比に伴い従来の
Cr−Mo−Ｖ鋼では強度不足で、より強度の高い
材料が必要である。強度として高温特性を最も大
く左右するクリープ破断強度が要求される。クリ
ープ破断強度がCr−Mo−Ｖ鋼より高い構造材料
としてオーステナイト鋼、Ni基合金、Co基合金、
マルテンサイト鋼等が一般に知られているが、熱
間加工性、切削性及び振動減衰特性等の点でNi
基合金及びCo基合金は望ましくない。また、オ
ーステナイト鋼は400〜450℃付近の高温強度がそ
れ程高くないこと更にガスタービン全体システム
から望ましくない。一方、マルテンサイト鋼は他
の構成部品とのマツチングが良く、高温強度も十
分である。マルテンサイト鋼として特開昭58−
110661号公報、60−138054号公報、特公昭46−
279号公報等知られている。しかし、これらの材
料は400〜450℃で必ずしも高いクリープ破断強度
は得られず、更に高温で長時間加熱後の靭性が低
く、タービンデイスクとして使用できず、ガスタ
ービンの効率向上は得られない。 〔発明が解決しようとする問題点〕 ガスタービンの高温・高圧化に対して単に強度
を高い材料を用いるだけではガス温度の上昇はで
きない。一般に、強度を向上させると靭性が低下
する。本発明の目的は高温強度と高温長時間加熱
後に高い靭性を兼ね備えた耐熱鋼を提供すること
にある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、重量で、C0.05〜0.2％、Si0.5％以
下、Mn0.33％以下、Cr8〜13％、Mo1.5〜３％、
Ni2.1％を越え３％以下、V0.05〜0.3％、Nb及び
Taの１種又は２種の合計量が0.02〜0.2％及び
N0.02〜0.1％を含み、前記（Mn／Ni）比が0.11
以下及び残部が実質的にFeからなることを特徴
とする耐加熱脆化特性に優れた耐熱鋼にある。更
に、重量で、C0.07〜0.15％、Si0.01〜0.1％、
Mn0.1〜0.33％、Cr11〜12.5％、Ni2.2〜3.0％、
Mo1.8〜2.5％、Nb及びTaの１種又は２種の合計
量が0.04〜0.08％、V0.15〜0.25％及びN0.04〜
0.08％を含み、前記（Mn／Ni）比が0.04〜0.10
％、残部が実質的にFeからなり、全焼戻しマル
テンサイト組織を有することを特徴とする耐加熱
脆化特性に優れた耐熱鋼にある。 また、本発明は重量でW1％以下を含むもので
ある。 本発明鋼は次式で計算されるCr当量が10以下
になるように成分調整され、δフエライト相を実
質的に含まないようにすることが必要である。 Cr当量＝−40C−2Mn−4Ni−30N ＋6Si＋Cr＋4Mo＋11V＋5Nb＋2.5Ta （各元素は合金中の含有量（重量％）で計算さ
れる） 〔作 用〕 本発明材の成分範囲限定理由について説明す
る。Ｃは高い引張強さと耐力を得るために最低
0.05％必要である。しかし、あまりＣを多くする
と、高温に長時間さらされた場合に金属組織が不
安定になり、10⁵hクリープ破断強度を低下させる
ので、0.20％以下にしなければならない。最も
0.07〜0.15％が好ましい。より、0.10〜0.14％が
好ましい。 Siは脱酸剤、Mnは脱酸・脱硫剤として鋼の溶
解の際に添加するものであり、少量でも効果があ
る。Siはδフエライト生成元素であり、多量の添
加は疲労及び靭性を低下させるδフエライト生成
の原因になるので0.5％以下にしなければならな
い。なお、カーボン真空脱酸法及びエレクトロス
ラグ溶解法などによればSi添加の必要がなく、Si
無添加がよい。 特に、脆化の点から0.2％以下が好ましく、Si
無添加でも不純物とし0.01〜0.1％含有される。 Mnは加熱による脆化を促進させるので、0.33
％以下にすべきである。特に、Mnは脱硫剤とし
て有効なので、加熱脆化を生じないように0.1％
以上含有させるのが好ましい。更に0.1〜0.25％
が最も好ましい。また脆化防止の点からSi＋Mn
量を0.3％以下にするのが好ましい。 Crは耐食性と高温強度を高めるが、13％以上
添加するとδフエライト組織生成の原因になる。
８％より少ないと耐食性及び高温強度が不十分な
ので、Cr8〜13％に決定された。特に強度の点か
ら11〜12.5％が好ましい。 Moは固溶強化及び析出強化作用によつてクリ
ープ破断強度を高めると同時に脆化防止効果があ
る。1.5％以下ではクリープ破断強度向上効果が
不十分であり、3.0％以上になるとδフエライト
生成原因になるので1.5〜3.0％に限定された。特
に1.8〜2.5％が好ましい。更に、MoはNi量が2.1
％を越える含有量のときMo量が多いほどクリー
プ破断強度を高める効果があり、特にMo2.0％以
上での効果が大きい。 Ｖ及びNbは炭化物を析出し高温強度を高める
と同時に靭性向上効果がある。V0.1％、Nb0.02
％以下ではその効果が不十分であり、V0.3％、
Nb0.2％以上ではδフエライト生成の原因となる
と共にクリープ破断強度が低下する傾向を示すよ
うになる。特にV0.15〜0.25％、Nb0.04〜0.08％
が好ましい。Nbの代りにTaを全く同様に添加で
き、複合添加することができる。 Niは2.1％を越える含有によつて高温長時間加
熱後の靭性を高め、かつδフエライト生成の防止
効果がある。2.1％以下ではその効果が十分でな
く、３％以上では長時間クリープ破断強度を低下
させる。特に2.2〜3.0％が好ましい。より好まし
くは2.5％を越える量である。 Niは加熱脆化防止に効果があるが、Mnは逆に
害を与える。従つてこれらの元素の間には密接な
相関関係があることを本発明者らは見い出した。
即ち、Mn／Niの比が0.11以下にすることにより
きわめて顕著に加熱脆化が防止されることを見い
出した。特に、0.10以下が好ましく、0.04〜0.10
が好ましい。 Ｎはクリープ破断強度の改善及びδフエライト
の生成防止に効果があるが0.02％未満ではその効
果が十分でなく、0.1％を越えると靭性を低下さ
せる。特に0.04〜0.08％の範囲で優れた特性がら
れる。 ＷはMoと同様に高温強度を高める効果があり
１％以下含有させることができる。しかし、１％
を越える添加はδフエライトを生成し、脆化を促
進させるので、その添加量を１％以下とする。 本発明材の熱処理はまず完全なオーステナイト
に変態するに十分な温度、最低900℃、最高1150
℃に均一加熱し、マルテンサイト組織が得られ
る。100℃／ｈ以上の速度で急冷し、次いで450〜
600℃の温度に加熱保持し（第１次焼もどし）、次
いで550〜650℃の温度に加熱保持し第２次焼もど
しを行なう。焼入れに当つてはMs点直上の温度
に止めることが焼割れを防止する上で好ましい。
具体的温度は150℃以上に止めるのが良い。焼入
れは油中焼入れ又は水噴霧焼入れによつて行うの
が好ましい。第１次焼戻しはその温度より加熱す
る。 〔実施例〕 実施例 １ 第１表に示す組成（重量％）の試料をそれぞれ
20Kg溶解し、1150℃に加熱し鍛造して実験素材と
した。この素材に、1150℃で2h加熱後衝風冷却
を行い、冷却温度を150℃で止め、その温度より
580℃で2h加熱後空冷の一次焼戻しを行い、次い
で605℃で5h加熱後炉冷の二次焼戻しを行つた。 熱処理後の素材からクリープ破断試験片、引張
試験片及びＶノツチシヤルピー衝撃試験片を採取
し実験に供した。衝撃試験は熱処理のままの材料
を500℃、1000時間加熱脆化材について行なつた。
この脆化材はラルソン・ミラーのパラメータより
450℃で10⁵時間加熱されたものと同等の条件であ
る。

【表】

【表】 第１表において、試番１及び８は本発明材であ
り、試番２〜７は比較材であり、試番２は現用デ
イスク材M152鋼相当である。 第２表はこれら試料の機械的性質を示す。本発
明材（試番１及び８）は、高温・高圧ガスタービ
ンデスク材として要求される450℃、10⁵hクリー
プ破断強度（＞50Kg／mm²）及び脆化処理後の25℃
Ｖノツチシヤルピー衝撃値〔４Kg−ｍ（５Kg−
ｍ／m²）以上〕を十分満足することが確認され
た。これに対し、現用ガスタービンに使用されて
いるM152相当材（試番２）は、450℃、10⁵hクリ
ープ破断強度が42Kg／mm²、脆化処理後の25℃、Ｖ
ノツチシヤルピー衝撃値が2.7Kg−ｍで、高温・
高圧ガスタービンデスク材として要求される機械
的性質を満足できない。次にSi＋Mn量が0.4〜約
１％及びMn／Ni比が0.12以上の高い鋼（試番３
〜７）の機械的性質を見ると、クリープ破断強度
は高温・高圧ガスタービンデスク材として要求さ
れる値を満足できるが、脆化後のＶノツチシヤル
ピー衝撃値は3.5Kg−ｍ以下であり、満足できな
い。 第１図は脆化試験後の衝撃値と（Mn／Ni）比
との関係を示す線図である。図に示す如く、
（Mn／Ni）比が0.12までは大きな差がないが、
0.11以下で脆化が急激に改善され、４Kg−ｍ（５
Kg−ｍ／cm²）以上となり、更に0.10以下では６Kg
−ｍ（7.5Kg−ｍ／cm²）以上の優れた特性が得られ
ることが分る。Mnは脱酸剤及び脱硫剤として欠
かせないものであり、0.33％以下添加する必要が
ある。 第２図は同じくMn量との関係を示す線図であ
る。図に示す如く、脆化後の衝撃値はNi量が2.1
％以下ではMn量を減らしても大きな効果が得ら
れず、Ni量2.1％を越えた含有量とすることによ
りMnを減らすことによる効果が顕著である。特
に、Ni量が2.4％以上で、効果が大きいことが分
る。 更に、Mn量が0.7％付近ではNi量によらず衝
撃値の改善は得られないが、Mn量をNo.１及びNo.
８に示すように0.33％以下にすればMn量が低い
ほどNi量が2.1％を越える含有量で衝撃値の高い
ものが得られる。 第３図は同じくNi量との関係を示す線図であ
る。図に示す如く、Mn量が0.33％以下の0.15〜
0.24％では2.1％を越えるNiの含有によつてその
増加とともに脆化が顕著に改善されることが明ら
かであり、特に2.2％以上のNi量で顕著に向上し、
2.4％以上で６Kg−ｍ（7.5Kg−ｍ／cm²）以上、更
に2.5％以上のNi量では７Kg−ｍ／cm²）以上の高
い値が得られることが明らかである。 第４図は450℃×10⁵hクリープ破断強度とNi量
との関係を示す線図である。図に示す如くNi量
が2.5％付近までは強度にほとんど影響がないが、
3.0％を越えると50Kg／mm²を下回り、目標とする
強度が得られない。尚、Mnは少ない方が強度が
高く、0.15〜0.25％付近で最も強化され、高い強
度が得られる。 実施例 ２ 実施例１と同様に第３表に示す化学組成（重量
％）の試料を溶解及び鍛造によつて製造し、同じ
熱処理を行ない実験に供した。試験結果を第４表
に示す。

【表】

〔発明の効果〕

本発明に係る耐熱鋼は、高温高圧（ガス温度：
1200℃以上、圧縮比：15クラス）ガスタービン用
デイスクに要求されるクリープ破断強度及び加熱
脆化後の衝撃値が満足するものが得られるが、こ
れに限らず加熱脆化域の高温にさらされる他の部
材への適用も可能な耐熱鋼である。

【図面の簡単な説明】

第１図は脆化後の衝撃値と（Mn／Ni）比との
関係を示す線図、第２図は脆化後の衝撃値とMn
量との関係を示す線図、第３図は脆化後の衝撃値
とNi量との関係を示す線図、第４図はクリープ
破断強度とNi量との関係を示す線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で、C0.05〜0.2％、Si0.5％以下、
   Mn0.33％以下、Cr8〜13％、Mo1.5〜３％、
   Ni2.1％を越え３％以下、V0.05〜0.3％、Nb及び
   Taの１種又は２種の合計量が0.02〜0.2％及び
   N0.02〜0.1％を含み、前記（Mn／Ni）比が0.11
   以下及び残部が実質的にFeからなることを特徴
   とする耐加熱脆化特性に優れた耐熱鋼。 ２ 重量で、C0.05〜0.2％、Si0.5％以下、
   Mn0.33％以下、Cr8〜13％、Mo1.5〜３％、
   Ni2.1％を越え３％以下、V0.05〜0.3％、Nb及び
   Taの１種又は２種の合計量が0.02〜0.2％及び
   N0.02〜0.1％、W1％以下、前記（Mn／Ni）比
   が0.11以下及び残部が実質的にFeからなることを
   特徴とする耐加熱脆化特性に優れた耐熱鋼。