JPH0763007A

JPH0763007A - 高温用蒸気タービンロータ材

Info

Publication number: JPH0763007A
Application number: JP23404693A
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: 2013-07-23
Also published as: JP2778903B2

Abstract

(57)【要約】【目的】 593℃以上の蒸気条件で適用できる高温強度
の優れた高温用蒸気タービンロータ材を提供する。【構成】重量百分率で炭素0.05〜0.13％、ケイ素0.1
％以下、マンガン１％以下、クロム 10〜11.5％、ニッ
ケル 0.6％以下、バナジウム 0.1〜0.3％、ニオブ及び
／又はタンタル 0.01〜0.2％、窒素0.01〜0.1％、モリ
ブデン 0.5％以下、タングステン 0.9〜３％、コバルト
2.5％以下及び不可避的純物及び鉄残余からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】火力発電用蒸気タービンロータ材
に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電用蒸気タービンプラントに用い
られる高温用ロータ材としては、CrMoV鋼や12Cr鋼が挙
げられる。このうち、CrMoV鋼は高温強度の限界から566
℃までの蒸気温度のプラントでの使用に制限される。一
方、12Cr系鋼製のロータ材（たとえば特公昭40−4137号
など）は、高温強度がCrMoV鋼よりも優れているため593
℃までの蒸気温度のプラントに適用することも可能であ
るが、これを越える温度に対しては高温強度が不足する
ことから蒸気タービンロータとしての適用は困難であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、12
Cr系鋼の材料で593℃以上の蒸気条件で適用できる高温
強度の優れた高温用蒸気タービンロータ材を提供するも
のである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】発明者らは、12Cr系鋼を
基本成分として合金元素の厳選を行って高温強度の改善
を鋭意行い、優れた高温特性を有する新しい高温用蒸気
タービンロータ材を開発し、本発明に至った。

【０００５】すなわち、本発明の目的は、重量百分率で
炭素0.05〜0.13％、ケイ素0.1％以下、マンガン１％以
下、クロム 10〜11.5％、ニッケル 0.6％以下、バナジ
ウム0.1〜0.3％、ニオブ及び／又はタンタル 0.01〜0.2
％、窒素0.01〜0.1％、モリブデン 0.5％以下、タング
ステン 0.9〜３％、コバルト 2.5％以下及び不可避的不
純物及び鉄残余からなることを特徴とする高温用蒸気タ
ービンロータ材を提供することにある。

【０００６】

【作用】以下に、本発明による高温用蒸気タービンロー
タ材における各構成元素の組成割合に関する限定理由を
述べる。炭素：ＣはＮと共に炭窒化物を形成してクリープ破断強
度の向上に寄与する。しかし、0.05％未満では十分な効
果は得られず、また0.13％を越えると使用中に炭窒化物
が凝集粗大化し、高温長時間強度を劣化させる。このた
め0.05〜0.13％とした。ケイ素：Siは脱酸材としての効果がある。本発明による
ロータ材においては、真空カーボン脱酸法を適用するの
で製鋼において必要な最小限度の添加とし、0.1％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。また、
δフェライトの生成を抑制する作用がある。一方、多量
にこの元素を加えるとクリープ破断強度が劣化する。こ
のため１％を越える量の添加は好ましくない。また、特
に0.1％以下に抑えるとクリープ破断強度はさらに改善
される。このため、必要に応じて0.1％以下に抑えて添
加することが必要である。クロム：Crは炭化物を形成して、クリープ破断強度の改
善に寄与すると共に、マトリックス中に溶け込んで耐酸
化性を改善し、マトリックス自体を強化して高温長時間
側の強度の向上に寄与する。10％未満であるとその効果
が十分でなく、また11.5％を越える量を添加するとδフ
ェライトを生成し易くなって強度の低下や靭性の劣化を
もたらす。このため10〜11.5％とした。ニッケル：Niは靭性を改善する上で有効な元素である。
また、ニッケルは銅を添加したときに生ずる熱間鍛造時
の割れを防ぐ作用がある。しかし、多量の添加はクリー
プ破断強度を著しく劣化させる。このため0.6％以下の
添加が望ましい。特に、0.2％以下に低く抑えて添加す
るとクリープ破断強度が著しく改善される。このため必
要に応じて0.2％以下で添加することが必要である。バナジウム：Ｖは炭窒化物となってクリープ破断強度を
改善する。0.1％未満では十分な効果が得られない。ま
た、逆に0.3％を越える量を添加すると、むしろクリー
プ破断強度は低下してしまう。このため0.1〜0.3％とし
た。ニオブ又はタンタル：Nb又はTaは炭窒化物を形成して高
温強度の改善に寄与する。また、高温で析出する炭化物
（M₂₃C₆）を微細にして長時間クリープ破断強度の改善
に寄与する。0.01％未満ではその効果はなく、また0.2
％を越える量で添加すると、鋼塊製造時に生成したNb又
はTaの炭窒化物が熱処理（溶体化処理：980〜1150℃）
時にマトリックスに十分に固溶できず、使用中に粗大化
して長時間のクリープ破断強度を低下させる。このため
0.01〜0.2％とした。窒素：ＮはＣや合金元素と共に炭窒化物を形成して高温
強度の改善に寄与する。0.01％未満では十分な炭窒化物
を形成することができないためにクリープ破断強度が十
分に得られない。また、0.1％を越える量で添加する
と、長時間側で炭窒化物が凝集粗大化して、十分なクリ
ープ破断強度を得ることができなくなる。このため0.01
〜0.1％とした。モリブデン：MoはＷと共にマトリックス中に固溶してク
リープ破断強度を改善する。Moの単独の添加であれば1.
5％程度添加することが可能であるが、Ｗを添加する場
合、Ｗの方が高温強度の改善に有効であり、またMo及び
Ｗを多量に添加するとδフェライトが形成されてクリー
プ破断強度を劣化させる。このため、Ｗの添加量とのバ
ランスから0.5％以下の添加とした。タングステン：Ｗは前述のようにMoと共にマトリックス
中に固溶してクリープ破断強度を改善する。ＷはMoより
も固溶体強化機能が強く、有効な元素である。しかし多
量に添加するとδフェライトや多量のラーベス相を生成
するため、逆にクリープ破断強度を劣化させる。このた
めMoの添加量とのバランスを考慮して0.9〜３％の添加
とした。コバルト：CoはNiと同様にマトリックスに固溶してδフ
ェライトの生成を抑制する。また、Niのように高温強度
を劣化させることはない。このため、Coを添加すると、
Coを添加しないものよりもCrやＷの強化元素を多く添加
することが可能となる。この結果、高いクリープ破断強
度を得ることが可能となる。しかし、2.5％を越える量
を添加すると、炭化物の析出を促進してしまうために、
長時間側のクリープ破断強度を劣化させてしまう。この
ため2.5％以下の添加とした。銅：Cuはδフェライトを抑制する元素として有効であ
る。また、Cu自体はマトリックス中に微細に析出して高
温強度の改善に有効である。しかし、Cuは1000℃を越え
る高温に保持すると粒界析出して低融点のCu相を形成す
るために、熱間鍛造時に割れが発生する。この割れの発
生の抑制には、Niの添加が有効である。すなわち、Niは
Cuと全率固溶体と形成するために融点の高いCu−Ni相が
粒界に形成されて粒界強度が高まり、熱間鍛造性が改善
される。このため、Cuの添加量はNiの含有量に依存す
る。Cuの添加量がNi含有量の重量比で２倍以下であれば
熱間鍛造時の割れは防ぐことが可能であるので、Cuの添
加量を重量比でNi含有量の２倍以下とした。ホウ素：Ｂは粒界強度を高くする作用がある。このため
クリープ破断強度の改善に寄与する。しかし、多量に添
加すると熱間加工性が悪くなると共に、靭性が低下す
る。このため0.01％以下とした。

【０００７】

【実施例】以下に実施例に基づいて本発明を説明する。

【０００８】表１に試験に供した材料の元素組成をまと
めて示す。

【０００９】

【表１】全ての材料について、50Kg真空高周波溶解炉にて溶製
し、25Kgづつの分注を行い、各２個の試験材を溶製し
た。この２個の試験材のうち、１個については鍛造性を
調べるためのグリーブル試験に供した。また、もう一方
の試験材については加熱温度1200℃にて鍛造を行い、各
種試験に供した。各種試験に用いた試験材熱処理は、胴
径1200φのロータを油冷したときの中心部を模擬した焼
入れ処理を行い、次いで焼もどしは0.2％耐力がおよそ6
3〜67Kgf／mm²になるように各材料の焼もどし温度を決
めて行った。

【００１０】表２に本発明材及び比較材の機械的性質を
示す。

【００１１】

【表２】常温引張試験の結果にはほとんど差はないが、衝撃特性
の点では、比較材の材料番号９、12、15、20が低い値を
示しており、本発明材に比べて靭性が低いことが明らか
となっている。

【００１２】表３に625℃、10万時間後のクリープ破断
強さ（外挿値）を示す。

【００１３】

【表３】

【００１４】この結果から明らかなように、比較材の1
7、18を除いて、本発明材のクリープ破断強さは比較材
に比べて格段に優れていることがわかる。

【００１５】また、表４に高温鍛造性を調べたグリーブ
ル試験の結果を示す。試験では25Kg鋼塊より10mmφ×12
0mm（両端にＭ10×15mmのねじあり）の試験片を採取
し、1100℃で引張試験を行い、破断後の絞り値を計測し
た。

【００１６】

【表４】表４からわかるように、比較材の材料番号16、17、18の
絞り値が低く、高温鍛造性の劣ることがわかる。このこ
とから、クリープ破断強さの良好であった材料番号17、
18についても、鍛造性が悪いことからロータ材としては
不適当であることが明らかとなった。

【００１７】

【発明の効果】本発明の高温用蒸気タービンロータ材
は、優れた高温強度を有するため、蒸気温度が593℃を
越える超々臨界圧発電プラント用の高温用蒸気タービン
ロータ材として有用である。本発明により、現在の超々
臨界圧発電プラントをさらに高温化し、化石燃料の節約
に寄与すると共に、二酸化炭素の発生量を低く抑える上
で有用なものであると言える。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量百分率で炭素0.05〜0.13％、ケイ素0.
1％以下、マンガン１％以下、クロム 10〜11.5％、ニッ
ケル 0.6％以下、バナジウム 0.1〜0.3％、ニオブ及び
／又はタンタル 0.01〜0.2％、窒素0.01〜0.1％、モリ
ブデン 0.5％以下、タングステン 0.9〜３％、コバルト
2.5％以下及び不可避的純物及び鉄残余からなることを
特徴とする高温用蒸気タービンロータ材。
【請求項２】マンガン含量が0.1％以下、ニッケル含量
が0.2％以下である、請求項１記載の高温用蒸気タービ
ンロータ材。
【請求項３】重量基準で銅をニッケル含有量の２倍以下
で添加した請求項１又は２記載の高温用蒸気タービンロ
ータ材。
【請求項４】重量百分率でホウ素0.01％以下を含む請求
項１〜３のいずれか１項記載の高温用蒸気タービンロー
タ材。