JPH0762477A

JPH0762477A - 高温ボルト材

Info

Publication number: JPH0762477A
Application number: JP23404593A
Authority: JP
Inventors: Akiji Fujita; 明次藤田; Masatomo Shinohara; 正朝篠原; Yusaku Takano; 勇作高野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1995-03-07
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: JP3281685B2

Abstract

(57)【要約】【目的】フェライト系等の蒸気タービン車室材との熱
膨張係数の差が少なく、高温強度、高温延性に優れた高
温で使用できるボルト材を提供する。【構成】重量百分率で炭素0.04〜0.10％、ケイ素１％
以下、マンガン１％以下、クロム18〜21％、アルミニウ
ム 0.7〜1.3％、チタン 1.3〜1.8％、鉄1.5％以下及び
不可避的不純物及びニッケル残余からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は火力発電用蒸気タービン
用高温ボルト材に係る。さらに詳述すれば、本発明は、
蒸気タービンを構成する車室を締め付けるためのボルト
を構成する高温条件下での使用に適するボルト材に係
る。

【０００２】

【従来の技術】火力発電用蒸気タービンプラントに用い
られるボルト材としては、主に低温域（500℃以下）で
用いられる12Cr鋼、高温域で用いられる超合金のリフラ
クトアロイ26（37Ni−20Co−18Cr系）、もしくはニッケ
ル基超合金ナイモニック80Ａが挙げられる。これらのう
ち、低温用の12Cr鋼は500℃以上の温度での使用は困難
であり、500℃を越える高温で用いられるボルト材とし
ては、ここに示す超合金のリフラクトアロイ26又はナイ
モニック80Ａに限定される。

【０００３】このうちリフラクトアロイ26は高温強度に
優れ、また高温延性も良好であることから、これまで高
温ボルト材として広く用いられていた。しかし、蒸気タ
ービンを構成する車室の締め付けに使用される際、この
材料の熱膨張係数が大きいため車室材との間の熱膨張差
によって車室の締め付け力が低下し、蒸気漏れの原因と
なっている。また、リフラクトアロイ26はコバルトを多
量に含むため（20％程度）、コストが高い材料である。

【０００４】一方、ナイモニック80Ａはニッケル基の超
合金であり、高温強度が良好であり、また熱膨張係数も
リフラクトアロイ26程大きくなく、したがって車室材と
の熱膨張係数の差が少なく（これにより、車室の締め付
け力の低下を生じない）、さらにコバルトを含まないこ
とからコスト的にリフラクトアロイ26より安いとの利点
を有する。しかしながら、この材料は高温における延性
が低く、使用中に亀裂を発生し易い材料である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、フェライト
系（CrMo系、12Cr系など）又はマルテンサイト系の車室
材との熱膨張係数の差が少なく、高温強度、高温延性に
優れた500℃以上の高温で使用できる高温用ボルト材を
提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者らは鋭意研究を重
ねた結果、特に火力発電用蒸気タービンでの使用に当た
り要求される上記特性を満足できる優れた高温用ボルト
材を見出し、本発明に至った。

【０００７】これによれば、本発明の第１の目的は、重
量百分率で炭素0.04〜0.10％、ケイ素１％以下、マンガ
ン１％以下、クロム 18〜21％、アルミニウム 0.7〜1.3
％、チタン 1.3〜1.8％、鉄1.5％以下及び不可避的不純
物及びニッケル残余からなることを特徴とする高温ボル
ト材を提供することにある。

【０００８】本発明の第２の目的は、重量百分率で炭素
0.04〜0.10％、ケイ素１％以下、マンガン１％以下、ク
ロム 18〜21％、アルミニウム 0.7〜1.3％、チタン 1.3
〜1.8％、鉄1.5％以下、リン 0.01％以下、イオウ 0.00
5％以下及び不可避的不純物及びニッケル残余からなる
ことを特徴とする高温ボルト材を提供することにある。

【０００９】さらに、本発明の第３の目的は、上記高温
ボルト材であって、溶解後熱間鍛造を行ったのち、1000
〜1120℃での溶体化処理、820〜880℃での第１段時効処
理、700〜750℃での第２段時効処理及び600〜650℃での
第３段時効処理に供したことを特徴とする高温ボルト材
を提供することにある。

【００１０】

【作用】発明者らは、ナイモニック80Ａを基本成分と
し、成分を限定し、さらに熱処理を限定することによ
り、優れた特性を有する高温用ボルト材を得た。

【００１１】以下に、本発明のボルト材における各構成
元素の組成割合の限定理由を述べる。炭素：Ｃは炭化物を形成して高温強度の向上に寄与す
る。しかし、0.04％未満では十分な効果は得られず、ま
た0.10％を越えると過剰な炭化物を形成し、靭性を低下
させるため0.04〜0.10％とした。ケイ素：Siは脱酸材として必要な元素である。しかし、
Siを必要以上に加えるとクリープ脆化などを引き起こす
ため１％以下とした。マンガン：Mnも脱酸材として有用な元素である。この元
素も必要以上に加えると靭性を低下させるため１％以下
とした。クロム：Crは炭化物を形成して高温強度の改善に寄与す
ると共に、マトリックス中に溶け込んで耐酸化性を改善
する。18％未満ではその効果は十分ではなく、また21％
を越えると脆化をもたらすので18〜21％とした。アルミニウム：Alはマトリックス中のNi及びTiと共に金
属間化合物であるγ′[Ni₃(Al，Ti)］相を形成して、高
温強度の向上に寄与する。このため、高温強度の観点か
ら言えば多い方が良い。0.7％未満ではγ′相の析出量
が少なく、十分な高温強度が得られない。一方、1.3％
を越えるとクリープ破断における延性が低下する。この
ため0.7〜1.3％とした。チタン：TiはAl及びNiと共にγ′[Ni₃(Al，Ti)］相を形
成する。Tiの含有量は高温強度、延性に大きく影響す
る。すなわち、Ti含有量が増すとそれに比例して常温〜
高温までの強度は向上する。しかし、延性はTi含有量の
増加と共に低下する。Al量を従来の材料よりも低くして
クリープ破断延性を改善した本発明の材料においては、
Ti量はAlとのバランスから1.3％未満であると十分な強
度が得られない。また1.8％を越える量で添加するとク
リープ延性が低下する。したがって1.3〜1.8％とした。リン及びイオウ：Ｐ及びＳは製鋼段階でスクラップから
混入する不純物である。これらの元素は低融点元素であ
り、粒界に好んで現れて粒界強度を低下させる。このた
め、Ｐ及びＳに富んだ材料のクリープ破断試験を行うと
脆弱な粒界のためにクリープ破断強度が劣ると共に、十
分なクリープ破断延性が得られない。Ｐを0.01％以下、
Ｓを0.005％以下にすると、その悪影響は現れにくくな
る。このため、Ｐを0.01％以下、Ｓを0.005％以下とす
ることが好ましい。

【００１２】次に熱処理の限定理由について述べる。

【００１３】本発明による組成でボルト材を製造する場
合、熱処理方法によってγ′相などの析出物の形態が変
わり、機械的性質やクリープ破断特性などに大きく影響
を与える。そこで、発明者らは熱処理条件について鋭意
検討を行った結果、溶体化処理後、３段時効処理を施
し、析出物を十分に安定化させることにより、高温強度
を劣化させることなく安定した延性が得られるとの知見
を得た。詳細については実施例で述べる。

【００１４】

【実施例】以下に実施例に基づいて本発明を説明する。

【００１５】本発明のボルト材は、ニッケル基超合金の
ナイモニック80Ａを基本としており、その成分を変更す
ることによりクリープ延性の優れた高強度のボルト材の
製造を可能にしたものである。

【００１６】表１には試験に供した材料の化学成分をま
とめて示す。全ての材料について、50Kg真空高周波溶解
炉にて溶製し、次いで高温にて鍛造を行い、各種試験に
供した。表２に各試験材の常温における機械的性質を示
す。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】この結果から、本発明材は強度的に安定し
ており、0.2％耐力で60Kgf／mm²以上を満足するものと
なっている。また、延性、靭性においてもバラツキは少
なく、安定した値が得られている。これに対して、比較
材は強度的には十分であるが、延性、靭性で劣るもの
（材料番号７、12、13）、機械的強度が十分でないもの
（材料番号８、９、10）となっている。

【００２０】また、表３に600℃におけるクリープ破断
試験の結果を示す。

【００２１】

【表３】

【００２２】本発明材の破断時間は比較材に比べて長
く、高いクリープ破断強度を有することがわかる。ま
た、比較材の中には材料番号７のように高いクリープ破
断強度を示すものもあるが、クリープ破断延性は低く
（材料番号７、12、13）、高温構造材料として適さない
ものと判断される。

【００２３】また、破断延性を比較した場合、２段時効
材よりも３段時効材の方が高い破断伸び及び絞りを示し
ており、熱処理としては上述の３段時効処理の方が良好
な方法であることがわかる。

【００２４】

【発明の効果】本発明のボルト材は、優れた高温強度を
有し、延性、靭性の良好な材料であることから、500℃
を越える温度で使用できる信頼性の高い高温用ボルト材
である。本発明により、今後多数製造が予定されている
超高温蒸気タービンの製造に寄与することはもとより、
通常の蒸気タービンのボルト材の高信頼性の確保の上か
らも産業上有益である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量百分率で炭素0.04〜0.10％、ケイ素１
％以下、マンガン１％以下、クロム18〜21％、アルミニ
ウム 0.7〜1.3％、チタン 1.3〜1.8％、鉄1.5％以下及
び不可避的不純物及びニッケル残余からなることを特徴
とする、高温ボルト材。
【請求項２】重量百分率で炭素0.04〜0.10％、ケイ素１
％以下、マンガン１％以下、クロム18〜21％、アルミニ
ウム 0.7〜1.3％、チタン 1.3〜1.8％、鉄1.5％以下、
リン0.01％以下、イオウ 0.005％以下及び不可避的不純
物及びニッケル残余からなることを特徴とする、高温ボ
ルト材。
【請求項３】溶解後熱間鍛造を行ったのち、1000〜1120
℃での溶体化処理、820〜880℃での第１段時効処理、70
0〜750℃での第２段時効処理及び600〜650℃での第３段
時効処理に供したことを特徴とする、請求項１又は２記
載の高温ボルト材。