JPH0627481B2

JPH0627481B2 - 蒸気タービンロータシヤフトの製造法

Info

Publication number: JPH0627481B2
Application number: JP1303118A
Authority: JP
Inventors: 孝利吉岡; 誠信桐原; 正男志賀; 武彦吉田; 勝邦久野; 敏美丹; 正宏小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-11-24
Filing date: 1989-11-24
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-04-13
Also published as: JPH02161104A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は新規な蒸気タービンロータシャフトの製造法に
係り、特に耐き裂感受性の優れた肉盛溶接層からなるジ
ャーナル部を有するマルテンサイト系高Ｃｒ鋼ロータシ
ャフトの製造法に関する。

近年蒸気タービンのロータには強度及び靱性の優れた１
２％クロム鋼が使用されている。従来のロータシャフト
は、そのロータの端部には発電側シャフトと接続するた
めにカップリングが焼ばめによって施されている。しか
しながら、カップリング部をロータシャフト本体と一体
構造とすることが最良であると考えられる。

しかし、かかるロータシャフトに使用されている１２％
クロム鋼は軸受特性が悪く、１２％クロム鋼ジャーナル
部分で軸受を損傷し易い欠点がある。

このロータシャフトの軸受特性を改善するために、ジャ
ーナル部を０．１％程度のクロム含有量の溶接棒を用い
て、溶接肉盛によって盛り上げる構造が、特開昭55-167
44号公報で知られている。しかし、０．１％程度のＣｒ
量では高温での耐摩耗性が低く、また高温強度，耐酸化
性が劣り、十分でないことを発明者らは究明したのであ
る。さらに、高Ｃｒ鋼に低クロム溶接棒を用いて肉盛溶
接することは溶接１〜２層において、溶接金属の延性が
極端に減少し、稼働中のその部分からき裂が発生し、ロ
ータの破壊事故にまで発展する可能性を有している。

本発明の目的は、溶接割れがなく、軸受特性の優れたジ
ャーナル部を有する蒸気タービンロータシャフトの製造
法を提供するにある。

本発明は、１２重量％Ｃｒ系マルテンサイト鋼からなる
蒸気タービンロータシャフトのジャーナル部を形成する
母材表面に肉盛溶接層を形成する方法において、鋼から
なる溶接材を用いて５層以上の前記肉盛溶接層を形成
し、初層から２層目又は３層目までの前記溶接材のＣｒ
量を順次低下させるとともに、４層目以降を同じＣｒ量
を有する鋼からなる溶接材を用いて溶接し、前記初層の
溶接に用いられる溶接材のＣｒ量を前記母材のＣｒ量よ
り２〜５．４５重量％程度少なくし、４層目以降の溶接
層のＣｒ量を０．５〜３重量％とすることを特徴とする
蒸気タービン用ロータシャフトの製造法にある。

本発明法によって得られる肉盛溶接層は５層以上とする
必要がある。前述の如く、初層溶接層としてＣｒ量の急
激な低下は高い引張残留応力の発生、或いは溶接割れ発
生の原因となることからその溶接材としてのＣｒ量を大
幅に減らすことができないので、溶接層数を多くして徐
々にＣｒ量を下げる必要があること、更に表面層として
所望のＣｒ量をその所望の厚さとを確保する必要がある
ことから５層以上とすることが必要である。例えば、蒸
気タービンロータシャフトの如く大型構造材としては、
肉盛溶接層として母材からの組成の影響を受けず、かつ
所望の組成と所望の厚さとを形成する必要があるが、母
材の影響のない厚さとして３層及びその上に所望の特性
のものを所望の厚さを備える必要があり、その厚さとし
て２層以上必要とし、一例として最終仕上げで約１８mm
の厚さが要求される。このような厚さを形成するには切
削による最終仕上げ代を除いても５層の肉盛溶接層が必
要となる。３層目以降は主に焼戻マルテンサイト組織を
有し、炭化物が析出していることが好ましい。特に、４
層目以降の溶接層の組成として重量で、Ｃ0.０１〜0.１
％，Ｓｉ0.３〜１％，Ｍｎ0.３〜1.５％，Ｃｒ0.５〜３
％，Ｍｏ0.１〜1.５％を含み残部Ｆｅからなるものが好
ましい。

さらに、本発明に係る１２重量％Ｃｒ系マルテンサイト
鋼は、重量でＣ0.１〜0.３％，Ｍｎ0.４〜1.２％，Ｓｉ
0.６％以下，Ｎｉ1.２％以下，Ｃｒ８〜１３％，Ｍｏ0.
５〜1.５％，Ｎｂ0.０３〜0.１５％，Ｖ0.１〜0.３％及
びＮ0.０４〜0.２％を含有し、残部Ｆｅからなる合金が
好ましく、主に基地が焼戻しマルテンサイト組織で、炭
化物が析出している。

また、肉盛溶接層は初層より２層目又は３層目までを順
次Ｃｒ量を低下させるもので、肉盛溶接にあたって層毎
に徐々にＣｒ含有量を低めた溶接棒を用いて溶接すれ
ば、初層溶接部のクロム含有量の大幅な違いによる初層
溶接部の延性低下の問題が生ぜず、溶接割れを生じるこ
となく所望の組成の肉盛溶接層を形成することができ
る。これにより、本発明は母材と初層部付近のクロム含
有量が極端に差を示すことなく、しかも最終層に上述の
軸受特性の高い肉盛溶接層を形成することができる。

初層溶接に適用する溶接材としてはそのクロム含有量を
母材のクロム量より２〜５．４５重量％程度少なくす
る。溶接材のＣｒ量を母材より低い値として２％以下で
は肉盛溶接層のＣｒ量を十分に下げることができず、効
果が小さい。逆に、５．４５％以上では母材と肉盛溶接
層との急激なＣｒ量の低下につながり、このＣｒ量の差
が熱膨脹係数の差を生じ高い引張残留応力の発生、或い
は溶接割れ発生の原因となる。尚、高Ｃｒほど熱膨脹係
数が小さいので、低Ｃｒとなる肉盛溶接層は母材より熱
膨脹係数が大きく溶接後に高い引張残留応力が形成され
る。そのためより低Ｃｒ鋼での溶接は高い残留応力のた
め硬さが高く、また溶接割れ発生の原因となるので、溶
接材のＣｒ量は母材のそれより少ない値として５．４５
％以下とする必要がある。このような溶接材を使用する
ことにより初層溶接部のクロム含有量は母材と混合する
ため、母材よりも約１〜３％低くなる程度にとどまり、
良好な溶接が得られる。

本発明法において、４層以降を同じＣｒ量を有する鋼か
らなる溶接材を用いて形成することが必要である。肉盛
溶接において、３層目までは母材の組成の影響を受ける
が、４層目以降の肉盛溶接層の組成は用いられる溶接材
の組成によってのみ形成されるので、蒸気タービンロー
タシャフトのジャーナル部として必要な特性を満たすも
のを形成させることができる。従って、前述のように蒸
気タービンロータシャフトとしての大型構造物として必
要な肉盛溶接層は約１８mmであるので、最終層として必
要な合金組成とその組成での必要な十分な厚さを確保す
るために４層目以降を同じＣｒ量の溶接材によって２層
以上溶接することになり前述のジャーナル部として要求
される特性を満足するものを十分な厚さをもって形成さ
せることができる。

ジャーナル部は摩擦によってかなり高温に加熱される。
そのため耐酸化性，高温強度及び高温での耐摩耗性の高
いものが要求される。Ｃｒ量が０．５％未満では、要求
される特性が満たされない。逆に、３％を越えると炭化
物が形成され、その炭化物が非常に硬いため軸受けを損
う。特に、１〜２％が好ましい。

肉盛溶接にあたって、予熱することが好ましい。溶接後
は応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を施すが、ＳＲ開始温度を
高Ｃｒ鋼のＭｓ点付近の２５０〜３５０℃で行うのが好
ましい。層間温度は２５０〜３５０℃が好ましい。

実施例１第１図は、本発明の蒸気タービンロータシャフトの一例
を示す構成図である。１はロータシャフト本体、２は発
電側シャフト、３はカップリング、４は軸受、５は肉盛
溶接層である。使用したロータシャフト本体として、そ
の母材の化学組成（重量％）を第１表に示す。

母材の形状は板厚７２mm，幅１３５mm，長さ２２０mmで
ある。

供試溶接棒として被覆アーク溶接棒（直径4.0φ）を用
いた。その溶接棒を用いて溶接したものの溶着金属の化
学組成（重量％）を第２表に示す。この溶着金属の組成
は溶接材の組成とほぼ同じである。

溶接条件は溶接電流１７０Ａ，電圧２４Ｖ，速度２６cm
／minである。

肉盛溶接を上述の供試母材表面に第３表に示すごとく、
各層ごとに使用溶接棒を組合せて、５層の溶接を行っ
た。各層の厚さは３〜４mmであり、全厚さは約１８mmで
あり、表面を数mm研削した。

溶接施工条件は、予熱，パス間，応力除去焼鈍（ＳＲ）
開始温度が２５０〜３５０℃及びＳＲ処理条件は６３０
℃×３６時間保持である。

NO.１は比較のもの、NO.２及び３は本発明のものであ
り、いずれも５層目の組成は第２表に示すNO.Ｄの組成
であった。

溶接部の性能を確認するために１６０°の側曲げ試験を
行い割れ発生の有無を顕微鏡により調査した。

初層から最終層までＤ棒（１．３％クロム）を使用した
試料NO.１ではNO.２及びNo.３と同じ条件で溶接した結
果、初層及び２層目にき裂が発生した。

それに対して、初層から２層目又は３層目までを順次ク
ロム量を低下させた溶接材を用いて溶接した試料NO.２
及びNO.３においては、割れは発生していなかった。

各溶接の層ごとに溶接棒のクロム量を加減することによ
って、良好な溶接部が得られることが明らかである。そ
こで、上記実施例で使用した他に、１２％クロム系鋼の
ロータ材の規格値内でクロム含有量の異なる母材及び各
種溶接棒を適用し、更にクロム含有量と割れ発生との関
係を詳細に求めた。その結果、各層毎にクロム含有量と
して、１層目８〜１１％，２層目５〜８％，３層目３〜
５％，４層目以降０．５〜３％の範囲になるように溶接
棒の組成を選べば割れの発生がなく、良好な溶接部すな
わち、ロータのジャーナル部が得られることが明らかと
なった。

本発明の初層に用いた溶接材のＣｒ量はNO.２が５．４
５％及びNO.３が２．７８％それぞれ母材のＣｒ量より
低いものである。また、本発明の３層目以降の溶接に用
いた溶接材のＣｒ量は２．３４％のNO.Ｃと１．３０％
のNO.Ｄである。更に、本発明の４層目及び５層目の溶
接には同じ溶接材を用い、その溶接材はNO.Ｄである。

以上のようにして形成したものについて、摩耗試験を行
った結果、マルテンサイト組織を有する１２％重量％Ｃ
ｒ系鋼のロータシャフト本体のものより軸受特性が著し
く改善された。なお、肉盛溶接層は主にマルテンサイト
組織であり、これに若干のベーナイトを含み、炭化物が
析出していた。

また、本発明の製造法によって肉盛溶接したものは、高
温耐酸化性がすぐれ、耐摩耗性及び高温強度もすぐれて
いた。

実施例２ジャーナル部にＣｒ量が異なる溶接材を用いて溶接した
試料を作成し、回転摺動試験を実施した。

第４表には、実験で用いた溶接棒の組成（重量％）、第
５表には各溶接層の溶接に用いた溶接棒のNO.及び第６
表には最終層の溶着金属の化学組成（重量％）を示す。
残部はＦｅである。本実施例においては第６表に示す溶
着金属の化学組成は表に示すように第５層目の溶接に用
いた溶接棒の化学組成とほぼ同じであった。NO.４，５
及び８は比較、及びNO.６及び７が本発明のものであ
る。母材の組成は第１表のものである。

本発明のNO.６及び７は初層がNO.２及び３と各々同じに
し、前者が初層から２層目まで、後者が初層から３層目
まで溶接材のＣｒ量を順次低下させて溶接し、３層目以
降の溶接材のＣｒ量を2.34％，2.２４％及び1.３０％と
し、４層目以降同じ溶接材を用いて溶接を行ったもので
ある。

回転試験材は、直径１５０mm，長さ６３０mmの母材に第
２表及び第４表に示すＣｒ量が異なる溶接棒にてそれぞ
れ５層肉盛溶接（肉盛幅＝２００mm）を実施し、その後
肉盛溶接部を機械加工により直径１７７．８mm，幅１６
３mmに加工した。肉盛溶接施工条件は、実施例１と同じ
である。なお、本発明のロータ材料の最終焼戻し温度
は、６５５℃で実施されている。溶接後のＳＲ温度を６
１０〜６３０℃とした。

回転試験の条件は、回転数４０００rpm，軸受面圧１９k
g／mm²，使用油タービン油＃９０，試験時間４２時間，
軸受にはバビットメタルを用いたものである。

なお、回転中は、油と一緒に鉄粉（２２５〜４００μ
ｍ）を投入し、疵付け試験を実施した。

第２図は、最終肉盛溶接層のＣｒ量と表面アラサとの関
係を示す回転試験結果を示す線図である。図に示すよう
に表面アラサは、Ｃｒ量がNO.４及び５の０．５％未満
及びNO.８の３％を越えると急激に上昇する。それに対
して、本発明のNO.６及び７のＣｒ０．５〜３％の範囲
においては、表面アラサが約４μｍ以下で前２者の１／
２以下と良好な結果を示した。

なお、Ｃｒ量が０．５％未満で表面アラサが大きいの
は、Ｃｒ量が低く過ぎるために表面硬さが低く、耐摩耗
性が低下したためである。一方、Ｃｒ３％を越えると硬
さが著しく高いＣｒ炭化物の形成量が多くなり、それが
回転中に剥離して肉盛部表面に疵を付け表面アラサを大
きくするものと考えられる。

前述と同様に側曲げ試験を行った結果、NO.４及び５は
割れが認められたが、初層の溶接棒を母材のＣｒ量より
２％以上少なくして溶接したNO.６〜８には割れは認め
られなかった。

以上、本発明によれば、軸受特性が優れ、特に、溶接棒
のＣｒ量を変えて肉盛溶接しているので溶接割れも同様
に防止できるため、より一層信頼性の高いロータシャフ
トが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気タービンロータシャフトのジャーナル部付
近の構成図及び第２図は肉盛溶接層のＣｒ量と表面アラ
サとの関係を示す線図である。１…ロータシャフト本体、２…発電側シャフト、３…カ
ップリング、４…軸受、５…肉盛溶接層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田武彦茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者久野勝邦茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者丹敏美茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者小林正宏茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭56−19976（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−71578（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−106681（ＪＰ，Ａ) 実開昭56−21623（ＪＰ，Ｕ) 特公昭50−26501（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１２重量％Ｃｒ系マルテンサイト鋼からな
る蒸気タービンロータシャフトのジャーナル部を形成す
る母材表面に肉盛溶接層を形成する方法において、鋼か
らなる溶接材を用いて５層以上の前記肉盛溶接層を形成
し、初層から２層目又は３層目までの前記溶接材のＣｒ
量を順次低下させるとともに、４層目以降を同じＣｒ量
を有する鋼からなる溶接材を用いて溶接し、前記初層の
溶接に用いられる溶接材のＣｒ量を前記母材のＣｒ量よ
り２〜５．４５重量％程度少なくし、４層目以降の溶接
層のＣｒ量を０．５〜３重量％とすることを特徴とする
蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。