JPH0647186B2 - １２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフトとその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はジャーナル部に肉盛溶接が施されたタイプの１
２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフトとその製造法に
関するものである。

（従来の技術） 火力発電機に使用される蒸気タービンロータシャフト
は、近年、発電効率向上を図るために高い蒸気温度のも
とで使用される傾向がある。これに伴い、使用温度に耐
える材料としてクリープ強度の高い、いわゆる１２％Cr
鋼がしばしば適用されている。

しかしながら、１２％Cr鋼製のタービンロータシャフト
は、使用中にジャーナル部が焼付きを起こし易く、これ
を防止するためにジャーナル部に低合金鋼のスリーブを
焼ばめしたタイプのタービンロータシャフトが実用化さ
れている。しかし、このタイプのタービンロータシャフ
トは使用中、焼ばめ部が緩み、ガタツキが生じるという
問題があった。

（発明が解決しようとする課題） このような背景から、最近、ジャーナル部に低合金鋼を
肉盛溶接する技術が検討され、一部実用化も試みられて
いる。

例えば、ジャーナル部に肉盛溶接を施すタービンロータ
シャフトに関し、特開昭５５−１６７４４号、特開昭５
６−１９９７６号、特開昭５７−１３７４５６号などが
提案されているが、それぞれ次のような理由により充分
満足な肉盛溶接部が得られていない。

特開昭５５−１６７４４号： ２層目以降の肉盛溶接棒として、Ｃ：０．１〜０．３
％、Si：０．３％以下、Mn：１．５〜２．０％、Cr：
０．０５〜０．１％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０
３％以下の成分のものが挙げられている。しかしなが
ら、Ｃ含有量が０．３％の溶接棒では溶接金属の高温割
れを防止することは困難である。一方、Ｃ含有量が０．
１％の溶接棒では溶接金属の強度や不足する。勿論、１
２％Cr鋼母材の稀釈が比較的多く、肉盛下層では母材か
らCrが溶接金属に補給されることも考えられるが、ジャ
ーナル部における肉盛部は通常１０mm以上と比較的厚い
肉盛厚さが要求されるため、肉盛上層では母材からの成
分稀釈は期待されないことから、前述の強度不足が生じ
ることは避けられない。

したがって、このような成分組成の溶接棒では強度不足
や溶接金属の高温割れが生じ、満足な肉盛溶接部が得ら
れない。

特開昭５６−１９９７６号： 肉盛溶接材における低合金鋼の成分組成については、高
温割れが発生しにくい組成となっているものの、Ｃ含有
量が低いことから溶接金属の強度が不足する。炭素鋼に
ついても同様であり、厚い肉盛厚さを要求された場合は
特に問題になる。また、肉盛部のCr量を５％以内を目標
としているが、焼付きの面からは過剰であり、より低い
レベルに抑えないと問題となる。

特開昭５７−１３７４５６号： Ｃ：０．０５〜０．３５％、Si：０．１０〜１．００
％、Mn：０．１０〜１．００％、Cr：０．３０〜２．８
０％、Mo：０．１０〜２．００％、Ｖ：０．０５〜０．
３５％、Ni：０．５０〜４．００％、残部鉄からなる肉
盛合金を軸受部に溶接肉盛する方法が示されているが、
まず、Ｃ含有量の範囲が広く、０．０５％では実際には
強度不足が生じ、一方、０．３５％では溶接金属の高温
割れは避けられない。また、Cr含有量についても、０．
３０％では強度が不足し、２．８０％と高いと、充分な
軸受特性が発揮されない。更にＶが添加されているが、
例えば、この提案の溶接金属成分範囲内であるＣ：０．
２５％、Cr：１．２％、Mo：１．５％、Ｖ：０．３％と
いった成分組成を想定した場合、高温割れもさることな
がら、ＳＲ割れ感受性が極めて高い成分系であることか
ら、健全な肉盛溶接部を得ることが難しくなる。

このように、従来法ではジャーナル部に肉盛溶接を施し
たタービンロータシャフト或いは肉盛溶接金属は、溶接
部の高温割れ防止、強度の確保、軸受特性の確保、更に
はＳＲ割れ防止の面で充分検討されたものとは言えず、
健全でかつ高品質のタービンロータシャフトの製造技術
について更なる改善が求められているのが実情である。

本発明は、かゝる要請に応えるべくなされたものであっ
て、低温割れ、高温割れ、ＳＲ割れ、ブローホール等の
欠陥がなく、ジャーナル部として充分な強度と軸受特性
を備えた１２％Cr鋼製タービンロータシャフトを提供す
ることを目的とし、またその製造法を提供することを目
的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、前記課題を解決するためには、１２％Ｃ
ｒ鋼はタービンロータシャフト素材としては優れた機械
的性能を有しているが、ジャーナル部に肉盛溶接を施す
場合、低温割れ感受性が高いことから、まず、細心の注
意を払って低温割れ（遅れ割れ）を防止するための溶接
施工を行う必要があること、その上で、溶接金属の高温
割れ、ＳＲ割れが発生せず、且つジャーナル部として充
分な強度及び軸受特性を有する肉盛溶接部を形成する必
要があることに鑑みて、種々の溶接材料を試作した上で
溶接施工試験並びに性能調査を推進した結果、ここに本
発明をなしたものである。

すなわち、本発明は、ジャーナル部外周面が肉盛溶接金
属により形成されており、該肉盛金属表層部が Ｃ：０．１１〜０．１７％ Si：０．２〜０．６％ Mn：．０〜２．５％ Ｐ：０．０３％以下 Ｓ：０．０１５％以下 Cr：１．１〜１．６％ Mo：０．１〜０．５％ Ｖ：０．０４％以下 を含有し、残部が実質的にFeからなる成分組成を有する
ことを特徴とする１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャ
フトを要旨とするものである。

また、その製造方法は、１２％Cr鋼製蒸気タービンロー
タシャフトのジャーナル部を肉盛溶接するに際し、焼結
型フラックスと、 Ｃ：０．０３〜０．１２％ Si：０．２〜０．６％ Mn：１．０〜２．０％ Cr：０．２％以下 Mo：０．１〜０．５％ 残部：Fe及び不可避的不純物 からなる化学成分を有する溶接ワイヤとを組合せて、少
なくとも１層をサブマージアーク溶接法で下盛溶接し、
引続き、焼結型フラックスと溶接ワイヤとを組合せたサ
ブマージアーク溶接により、２層以上を上盛溶接して、
上記化学成分を有する肉盛溶接金属を得ることを特徴す
るものである。

以下に本発明を更に詳述する。

（作用） ジャーナル部における肉盛表層部に要求される特性とし
ては、強度及び軸受特性があるが、強度はＳＲ処理後の
溶接金属の硬さによって判断でき、本発明が対象として
いるタービンロータシャフトでは、ビッカース硬さ(Hv)
で２００〜２６０の範囲が適正硬さである。

軸受特性における耐焼付き性には、材料のCr含有量が主
として影響し、Cr含有量が低い方が有利である。従来の
タービンロータシャフトにおいてジャーナル部の焼付き
事故が発生していないのは、実績として低合金鋼のCr-M
o-Ｖ鋼であり、３％或いは４％Cr含有鋼での運転実績は
ない状況である。したがって、上述の強度が確保される
ことを前提とすれば、Cr含有量は従来の低合金鋼製ター
ビンロータシャフトのレベル、すなわち、１．６％以下
に抑える必要がある。

更に、肉盛溶接部においては、融合不良、ブローホー
ル、低温割れ、高温割れといった溶接欠陥が存在しては
ならず、特に高温割れについては、溶接ビードに沿って
円周上に連続して発生することから、著しく強度特性を
劣化させるため、特に注意を必要とする。

以上のような必要特性を満足し得る方策を知見するに至
った基礎実験結果について、以下に説明する。

まず、溶接欠陥のうち、特に問題となる高温割れに関
し、溶接金属の高温割れ（凝固割れ）にはＣ、Ｓ、Ｐが
主として影響すると云われている。そこで、本発明者等
は、Ｃ、Ｓ、Ｐの含有量を様々に変化させた溶接材料を
試作し、サブマージアーク溶接法を行い、溶接金属の高
温割れと成分組成の関係を調べた。

第１表に試作溶接材料で得られた溶接金属化学成分を示
す。なお、溶接試験板はＡ３８７Cr１１（１．２５Cr〜
０．５Mo鋼）の板厚５０mm鋼板にＶ形の溝開先を施した
ものを用いた。溶接条件は第２表に示すとおりである。

第１図(a)、(b)はそれぞれ溶接金属のＣ、Ｓ含有量と割
れの関係、並びに溶接金属のＣ、Ｐ含有量と割れの関係
を示したものである。同図に示すように、高温割れはＣ
含有量によりほぼ一義的に影響され、Ｃ含有量が０．１
８％以上では割れが発生することがわかる。また、Ｃ含
有量が０．１７％ではＳ又はＰが高い場合にのみ、割れ
が発生する傾向がみられる。

この結果から、溶接金属のＣ含有量は０．１７％以下と
する必要があり、Ｓ含有量は０．０１５％以下とし、Ｐ
含有量は０．０３％以下に抑えることが望ましいことが
判明した。

次に、溶接金属の性能について、種々の溶接材料を試作
して調査した結果について述べる。

試験方法は、Ａ３８７Cr11鋼板にそれぞれの試作溶接材
料で５層肉盛溶接（母材成分の稀釈率は３％以下）した
上で、表層部から第２図に示すＳＲ割れ試験片を採取す
ると共に、６５０℃×１５hrのＳＲ処理を施し、表層部
から衝撃試験片及び硬さ測定用の試験片を採取した。Ｓ
Ｒ割れ試験は試験片のスリット部を圧着し、反対側に位
置する切欠底部に応力を負荷した状態で、ＴＩＧ溶接で
固定し、この試験片に６５０℃×２hrのＳＲ処理を施し
た後、切欠底部におけるＳＲ割れの有無を調べる方法を
滴用した。

また、衝撃試験は、２mmＶノッチのシャルピー試験試験
片を用る試験法により行い、設計上の仕様及び安全率を
みて、常温での吸収エネルギーが４kgf・m以上有するも
のを合格とした。溶接金属の硬さはHv＝２００〜２６０
の範囲を合格とした。

第３表に各試作溶接材料で得られた溶接金属の化学成分
と各種性能試験の判定結果を示す。

その結果、溶接金属のＣ含有量が０．１０％以下では硬
さが不足となる。Siは０．２％以下では硬さが不足し、
０．６％を超えると靭性が劣化する。Mnは１．０％未満
では硬さが不足し、２．５％を超えると硬さが高くなり
すぎると共に靭性が不合格となる。Crは１．０％以では
硬さが不足した。Moは焼戻し軟化抵抗を高めるに効果が
あり、この効果は０．１％以上の添加量で発揮される
が、０．５％を超えると僅かのＶのの共存によりＳＲ割
れ感受性が増大し、ＳＲ割れが発生した。Ｖは前述のよ
うにＳＲ割れ感受性を著しく高めるため、０．０４％以
下に抑えるのが好ましい。

これらの結果並びに前述の高温割れ、軸受特性との関連
から、ジャーナル部の肉盛表層部における最適な化学成
分は以下の組成であることが明らかとなった。

Ｃ：０．１１〜０．１７％ Si：０．２〜０．６％ Mn：１．０〜２．５％ Ｐ：０．０３％以下 Ｓ：０．０１５％以下 Cr：１．１〜１．６％ Mo：０．１〜０．５％ Ｖ：０．０４％以下 残部：Fe及び不純物 次に、本発明者等は、実際のタービンロータシャフトの
ジャーナル部を肉盛溶接する場合の適切な施工条件につ
いて検討した。

１２％Cr鋼製ロータ材は極めて焼入性が高く、且つ高Cr
材であるので水素の拡散速度が低いため、溶接による低
温割れが発生し易い。低温割れは一般に溶接時の予熱温
度を高めることが有効と云われているが、１２％Cr鋼に
ついてＪＩＳＺ３１５７の斜めＹ形溶接割れ試験を行っ
た場合、４００℃という高温の予熱によっても割れ発生
を完全に防止することができない。したがって、しかる
べき温度で予熱し、溶接後、直後熱を施し、水素の逸散
を促す必要がある。

実際の溶接作業においては、予熱及び直後熱或いは直後
保持温度が低い方が作業が容易となり、３００℃を超え
るような予熱でタービンロータシャフトの肉盛溶接を行
うことはかなり難しくなる。

第３図は、１２％Cr鋼のＪＩＳＺ３１５７の斜めＹ形溶
接割れ試験片について焼結型フラックス（ボンドフラッ
クス）又は溶融型フラックスを用いてサブマージアーク
溶接したときの断面割れ率を比較した結果を示したもの
である。なお、溶接ワイヤは市販の軟鋼ワイヤを用い
た。

第３図に示すように、直後熱を２００℃×２hrと一定と
した場合、溶融型フラックスでの割れ防止予熱温度は３
００℃であるのに対し、焼結型フラックスでは２００℃
とかなり低くなっている。これは、溶融型フラックスは
一般にフラックス中の水分が焼結型フラックスに比べて
高く、溶接金属中の拡散性水素量が高くなったため、割
れ防止予熱温度が高くなったものである。

このように、焼結型フラックスを用いることは、溶接作
業時の予熱温度を下げるのに有効であることがわかる。

１２％Cr鋼のジャーナル部をサブマージアーク溶接する
場合、溶込みによる母材稀釈率が３０〜４０％程度にな
るため、１層のみの肉盛では、Cr含有量を１．６％以下
にすることが難しく、少なくとも２層以上の肉盛層数を
必要とする。但し、軟鋼の溶接材料を用いて３層以上溶
接した場合の最表層は、Cr含有量が過少となるため、溶
接金属の硬さが不足する。

一方、ジャーナル部における肉盛厚さは、熱伝導性等を
考慮すると１０mm以上にすることが設計的に好ましく、
且つ、少なくともジャーナル部表面から深さ方向４〜５
mmまでは、所定の低Cr含有量からなる溶接金属で占めら
れている必要がある。

このような要件を前提として、施工方法を検討した結
果、以下に示す施工方法により、種々の肉盛厚さに対
し、安定して優れた肉盛溶接部が得られることを見出し
た。

すなわち、まず、焼結型フラックスと、Ｃ：０．０３〜
０．１２％、Si：０．２〜０．６％、Mn：１．０〜２．
０％、Cr：０．２％以下、Mo：０．１〜０．５％、残部
がFe及び不可避的不純物からなる溶接ワイヤとを組合せ
て、少なくとも１層をサブマージアーク溶接法で下盛溶
接すること、引続き、焼結型フラックスと溶接ワイヤと
を組合せて２層目以降をサブマージアーク溶接して上盛
溶接して、表層部が前述の適切な化学成分を有する肉盛
溶接部を得ることからなる施工方法である。

下盛溶接部としては、引続き肉盛される上盛溶接部と比
べて硬さは高いか、同程度であることが望ましい。これ
は、下盛溶接部の硬さが上盛溶接部より低いと、運転中
に発生する剪断応力により肉盛部が剥離する危険性があ
るからである。

上記下盛用ワイヤの化学成分は、母材、すなわち１２％
Cr鋼からの成分稀釈を考慮した上で適切な硬さが得られ
る成分範囲である。

具体的には、Crは、下盛溶接に引続き実施される上盛溶
接において、より少ない層数で所定のCr含有量とするた
め、０．２％以下とした。

Moは盛溶接部の焼もどし抵抗を増加し、上盛溶接部より
高い硬さを確保するために、０．１〜０．５％の範囲と
した。

Ｃ、Si、Mn含有量の上限をそれぞれ０．１２％、０．６
％、２．０％としたのは、溶接金属の靭性及び溶接作業
性を考慮したためである。

なお、フラックスとして焼結型フラックスを用いるの
は、前述の如く低温割れ防止のためである。

引続き、焼結型フラックスと組合せてサブマージアーク
溶接方法で肉盛溶接した場合の表層部溶接金属が以下の
化学成分となる溶接ワイヤを用いて、２層以上、上盛溶
接する。

Ｃ：０．１１〜０．１７％ Si：０．２〜０．６％ Mn:１．０〜２．５％ Ｐ：０．０３％以下 Ｓ：０．０１５％ Cr：１．１〜１．６％ Mo：０．１〜０．５％ Ｖ：０．０４％以下 残部：Fe及び不純物 なお、上記化学成分に限定する理由及び作用については
前述のとおりである。

このような施工方法により肉盛溶接した溶接部は、３層
目（うち１層は下盛）の溶接金属でほぼ所望の化学成分
並び硬さが得られる。ただ、前述のように、ジャーナル
部における肉盛厚さは１０mm以上とすることが多いた
め、１層当たりの肉厚を２．５〜３mm程度とするのが適
正といえるサブマージアークによる肉盛溶接において、
３層では肉厚不足となる。したがって、仕上げ加工代を
考慮すると４層或いは５層が必要となる。また、ジャー
ナル部における肉盛厚さが、例えば１４mm必要といった
場合には、更に肉盛層数を増す必要が生じる。このよう
な場合でも、本発明によれば、４層目以降は均一且つ適
正な化学組成が得られるため、広い範囲の必要肉盛厚さ
に対して安定した肉盛溶接部が得られる。

なお、サブマージアーク溶接の他の溶接条件は特に制限
されないことは云うまでもない。

また、母材の化学成分は、いわゆる１２％Cr鋼と称され
る鋼種であれば、その成分組成は以下なる範囲のもので
も可能である。

次に本発明の実施例を示す。なお、前述の基礎実験結果
の一部も実施例足り得ることは云うまでもない。

（実施例） 第４表に示す化学成分を有する１２％Cr鋼の軸材（５０
０φ×１０００ｌ）を用いて、タービンロータシャフト
のジャーナル部の模擬溶接試験を行った。溶接方法はサ
ブマージアーク溶接とし、第５表に示す化学成分を有す
る溶接ワイヤ（３．２mmφ）を用いて下盛溶接を１層行
った後、第６表に示す化学成分を有する溶接ワイヤを用
いて第７表の条件で上盛溶接にて６層溶接した。下盛及
び上盛ともそれぞれ焼結型フラックスを用いて溶接し
た。予熱温度は２００℃である。

このような施工方法で肉盛溶接した後、肉盛軸材に６５
０℃×１５hrのＳＲ処理を施し、肉盛溶接部の欠陥調
査、化学組成調査、硬さ分布測定を行った。

化学組成調査は肉盛各層毎に切粉を採取し分析すること
で行った。肉盛部の欠陥調査は、肉盛最終層面を平滑に
機械加工仕上げした上で、超音波探傷、カラーチェッ
ク、磁粉探傷を行った。

肉盛部の欠陥調査の結果、機械加工後の表面について
は、カラーチェック、磁粉探傷共にインジケーションが
認められなかった。肉盛内部について超音波探傷を行っ
たところ、何ら欠陥エコーは検出されず、健全な肉盛部
であることが確認された。

第８表に肉盛各層の化学成分の分析結果を示すように、
３層目の溶接金属でほぼ所望の化学成分となり、４層目
以降は安定して適正な化学成分となっていることがわか
る。

第４図は肉盛溶接部における半径方向の硬さ分布測定結
果を示したものである。図に示すように、母材熱影響部
の硬さが最も高く、肉盛厚さが増すにつれて漸減する
が、５mm以上の肉盛厚さではほぼ一定の硬さとなってい
る。

これらのことから、仮にジャーナル部の所要肉盛厚さが
１０mmとした場合、表面及び表面から深さ５mm程度まで
は適正な硬さ並びに化学組成が得られることがわかる。
所要肉盛厚さが更に大きくなった場合も何ら支障はな
く、表面からの適正肉盛域が増すのみである。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、低温割れ、高温
割れ、ＳＲ割れ及びブローホール等の欠陥がなく、しか
もジャーナル部として充分な強度と優れた軸受特性を備
えた１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフトを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)、(b)は溶接金属のＣ、Ｓ含有量と割れの関
係、並びに溶接金属のＣ、Ｐ含有量と割れの関係を示す
図、 第２図はＳＲ割れ試験片を示す図で、(a)は断面図、(b)
は平面図、(c)はノッチの拡大図であり、 第３図は１２％Cr鋼について焼結型フラックス（ボンド
フラックス）又は溶融型フラックスを用いてサブマージ
アーク溶接したときの断面割れ率と予熱温度の関係を比
較して示す図、 第４図は実施例で得られた肉盛溶接部における半径方向
の硬さ分布測定結果を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフト
   において、ジャーナル部外周面が肉盛溶接金属により形
   成されており、該肉盛金属表層部が、重量％で（以下、
   同じ） Ｃ：０．１１〜０．１７％ Si：０．２〜０．６％ Mn：１．０〜２．５％ Ｐ：０．０３％以下 Ｓ：０．０１５％以下 Cr：１．１〜１．６％ Mo：０．１〜０．５％ Ｖ：０．０４％以下 を含有し、残部が実質的にFeからなる化学成分を有する
   ことを特徴とする１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャ
   フト。
2. 【請求項２】ジャーナル外周面が焼結型フラックスと溶
   接ワイヤとを組合せたサブマージアーク溶接にて３層以
   上肉盛溶接され、最表層部が前記化学成分を有している
   請求項１に記載の１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャ
   フト。
3. 【請求項３】低温の予熱によって低温割れ防止が図られ
   たジャーナル部である請求項１又は２に記載の１２％Cr
   鋼製蒸気タービンロータシャフト。
4. 【請求項４】１２％Cr鋼製蒸気タービンロータシャフト
   のジャーナル部を肉盛溶接するに際し、焼結型フラック
   スと、 Ｃ：０．０３〜０．１２％ Si：０．２〜０．６％ Mn：１．０〜２．０％ Cr：０．２％以下 Mo：０．１〜０．５％以下 残部：Fe及び不可避的不純物 からなる化学成分を有する溶接ワイヤとを組合せて、少
   なくとも１層をサブマージアーク溶接法で下盛溶接し、
   引続き、焼結型フラックスと溶接ワイヤとを組合せたサ
   ブマージアーク溶接により、２層以上を上盛溶接して、
   表層部が請求項１に記載の化学成分を有する肉盛溶接金
   属を得ることを特徴とする１２％Cr鋼製蒸気タービンロ
   ータシャフトの製造方法。