JPH09194946A - 高低圧一体型タービンロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高強度化、高靱性化して、大型のロータへ
の使用を可能とした高低圧一体型タービンロータの製造
方法を提供する。 【構成】 特定組成のタービンロータ素体を、全体が
同一温度となるように、または、高圧部および中圧部に
相当する部分が低圧部に相当する部分よりも高温になる
ように加熱し、さらに、高・中圧部に相当する部分が低
圧部に相当する部分よりも冷却速度が遅くなるように冷
却して焼入れする。 【効果】 優れた高温クリープ強度と優れた低温靱性
を有する材料が得られ、大型の高低圧一体型タービンロ
ータへの適用が可能になり、高低圧一体型タービンロー
タを大型化してエネルギー効率を向上させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、発電機のタービンロ
ータ軸などに用いられる高低圧一体型タービンロータの
製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発電機のタービンの１つとして、高圧部
から低圧部までを一体化した高低圧一体型タービンが知
られており、このタービンには高低圧一体型タービンロ
ータが用いられている。このタービンロータは、高温で
高圧から低圧に至る蒸気圧力にさらされており、その材
料には、優れた高温クリープ特性と、優れた低温靱性と
を兼ね備えていることが要求される。従来、高低圧一体
型タービンロータ材としては、ＣｒーＭｏーＶ系低合金
鋼が開発されており、さらに、例えば特公昭５４ー１９
３７０号や特開平３−１３０５０２号には、この種の材
料を改良した低合金鋼が開示されている。高低圧一体型
タービンロータを製造する際には、上記合金鋼からなる
タービンロータ素体を均一に加熱して、素体全体に油焼
入れ、水焼入れ、噴水焼入れなどを行い、その後に焼戻
しを行う熱処理を施している。ところで、上記した高低
圧一体型タービンロータには、従来、胴径が１ｍ程度の
小型のものが使用されていたが、エネルギ−効率を向上
させるために、例えば胴径が２ｍに及ぶ大型の高低圧一
体型タービンロータの開発が望まれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、高低圧一体型
タービンロータの大型化を実現するためには、従来の小
型ロータに比べ、材料の高強度化、高靱性化が要求さ
れ、従来の製造方法では、この要請に応えることが困難
である。例えば、小型の高低圧一体型タービンロータ材
として従来開発されているＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系低合金鋼を
用いて常法の熱処理を施しても、大型の高低圧一体型タ
ービンロータとしては高温クリープ強度あるいは低温靱
性が不足し、大型高低圧一体型タービンロータ材として
十分な性能が得られないという問題点がある。この発明
は、上記事情を背景としてなされたものであり、優れた
高温クリープ特性と優れた低温靱性とを兼ね備えた高低
圧一体型タービンロータの製造方法を提供することを目
的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明の高低圧一体型タービンロータの製造方法
のうち第１の発明は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．４
％、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、
Ｎｉ：１．５〜２．５％、Ｃｒ：０．８〜２．５％、Ｍ
ｏ：０．８〜２．５％、Ｖ：０．１５〜０．３５％を含
有し、残部がＦeおよび不可避的不純物の耐熱鋼からな
るタービンロータ素体を焼入れする際に、タービンロー
タ素体全体を同一温度に加熱し、その後、高・中圧部に
相当する部分が低圧部に相当する部分よりも遅い冷却速
度となるように冷却することを特徴とする。

【０００５】第２の発明は、重量％で、Ｃ：０．１５〜
０．４％、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．
５％、Ｎｉ：１．５〜２．５％、Ｃｒ：０．８〜２．５
％、Ｍｏ：０．８〜２．５％、Ｖ：０．１５〜０．３５
％を含有し、残部がＦe および不可避的不純物の耐熱鋼
からなるタービンロータ素体を焼入れする際に、高・中
圧部に相当する部分が低圧部に相当する部分よりも高温
になるように加熱し、その後、高・中圧部に相当する部
分が低圧部に相当する部分よりも遅い冷却速度となるよ
うに冷却することを特徴とする。

【０００６】第３の発明は、第１の発明において、前記
タービンロータ素体を９００〜１０００℃に加熱して、
該タービンロータ素体の高・中圧部に相当する部分を衝
風冷却以下の冷却速度、低圧部に相当する部分を油冷以
上の冷却速度で焼入し、その後、前記素体を５５０〜７
００℃で１回以上の焼戻しを行うことを特徴とする。

【０００７】第４の発明は、第２の発明において、前記
タービンロータ素体の高・中圧部に相当する部分を９０
０〜１０３０℃、低圧部に相当する部分を８７０〜１０
００℃で、しかも高・中圧部に相当する部分が低圧部よ
りも２０〜８０℃高温となるように加熱して、高・中圧
部に相当する部分を衝風冷却以下の冷却速度、低圧部に
相当する部分を油冷以上の冷却速度で焼入れし、その
後、前記素体を５５０〜７００℃で１回以上の焼戻しを
行うことを特徴とする。

【０００８】第５の発明は、第１〜第４の発明におい
て、タービンロータ素体を構成する耐熱鋼は、下記の
（１）、（２）及び（３）の少なくとも一つの条件を満
たすことを特徴とする。 （Ｍｎ／Ｎｉ）比：０．２５４以下 （１） （Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｎｉ比：０．２７６以下 （２） （Ｖ＋Ｍｏ）／（Ｎｉ＋Ｃｒ）比：０．３８１〜０．７ （３）

【０００９】第６の発明は、第１〜第５の発明におい
て、耐熱鋼の組成に、さらに重量％で、ＮｂおよびＴ
ａ：０．００５〜０．１５％、Ｗ：０．１〜１．０％の
１種以上を含有することを特徴とする。

【００１０】第７の発明は、第１〜第６の発明におい
て、耐熱鋼の組成に、さらに重量％で、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚ
ｒ、Ｂ、Ｃａおよび希土類元素の少なくとも１種を合計
で０．００１〜０．１％含有することを特徴とする。

【００１１】なお、前記タービンロータ素体は、高圧
部、中圧部、低圧部をそれぞれ必ず具備している必要は
なく、これらの２以上を具備しているものであればよ
い。なお、高低圧一体型タービンロータは、部位によっ
て使用条件が異なるために、要求される性質にも部位に
よって差異があり、特に、高圧部および中圧部では高温
クリープ強度が十分に高いことが必要とされ、低圧部で
は低温靱性に優れていることが必要とされる。ところ
で、焼入れ時の冷却速度は、フェライト変態が起らない
程度に遅いほど（例えば約５℃／ｈ以上）高温クリープ
強度は良好となり、逆に、焼入れ時の冷却速度が速いほ
ど低温靱性は良好となる。

【００１２】本願発明の高低圧一体型タービンロータの
製造方法によれば、特定の組成を有する公知の耐熱鋼を
採用し、タービンロータ素体の高中圧部と、低圧部とに
よって焼入れ時の冷却速度を変えて（以下、偏差冷却と
いう）、焼入れを行うので、高、中圧部に相当する部分
は十分な高温クリープ強度が確保され、一方、低圧部で
は優れた低温靱性が確保される。また、タービンロータ
素体は上記組成により焼入れ性が向上しており、熱処理
によって、大型のロータにおいても大胴径の中心部に至
るまで十分に焼入れされ、高温クリープ強度を損なうこ
となく低温靱性を向上させることができる。さらに、焼
入れの際に、冷却に先立つ加熱温度を、高、中圧部と低
圧部で差異を設ける（以下、偏差加熱という）ことによ
り、上記作用が一層向上する。なお、上記各作用をより
一層確実にするためには、タービンロータ素体に使用す
る耐熱鋼の組成をさらに限定するのが望ましく、前記し
た（１）式の上限を０．１２または（２）式の上限を
０．１８または（３）式の下限を０．４５とするのが望
ましい。

【００１３】次に、上記組成のタービンロータ素体に施
す熱処理の条件およびその限定理由について説明する。 （焼入れ加熱温度） 均一加熱：９００〜１０００℃ 全体を均一に加熱する場合には、そのオーステナイト化
温度は、９００℃未満では、十分な高温クリープ強度が
得られず、また１０００℃を超えると、低温靱性が低下
するので上記範囲とするのが望ましい。

【００１４】偏差加熱：高中圧部 ９００〜１０３０
℃、低圧部 ８７０〜１０００℃ （高中圧部温度−低圧部温度） ２０〜８０℃ 高、中圧部と、低圧部の加熱温度に差異を設ける場合
に、高、中圧部では、オーステナイト化温度が９００℃
未満であると十分な高温クリープ強度が得られず、また
１０３０℃を超えると、高温での切欠弱化が認められる
ため上記範囲とするのが望ましい。一方、低圧部のオー
ステナイト化温度は、８７０℃未満では、炭化物が完全
に固溶しないため低温靱性が低下し、また、１０００℃
を超えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して低温靱性
が低下することから上記範囲とするのが望ましい。な
お、高、中圧部のオーステナイト化温度は、低圧部のオ
ーステナイト化温度よりも高い温度範囲で選ばれるが、
その作用効果を得るためには２０℃以上の温度差を付け
るのが望ましい。また、その温度差が８０℃を超えると
製造が難しいため、その温度差の範囲を２０〜８０℃に
限定するのが望ましい。

【００１５】（冷却速度）高・中圧部に相当する部分で
良好な高温クリープ強度が得て、低圧部に相当する部分
で良好な低温靭性を得るために、高中圧部の冷却速度を
低圧部の冷却速度よりも遅くする。上記作用を確実に得
るためには、高・中圧部に相当する部分を衝風冷却以下
の冷却速度で焼入れする望ましい。これを衝風冷却を超
える速度で冷却すると、低温変態ベイナイト組織量が増
加し、十分な高温クリープ強度を得ることが難しくな
る。なお、衝風冷却以下の冷却速度が得られる冷却方法
としては、衝風冷却、空冷が例示される。また、低圧部
に相当する部分は、上記作用を確実にするため油冷以上
の冷却速度で焼入れするのが望ましい。これを油冷より
も小さな冷却速度で冷却すると、その中心部においてフ
ェライトあるいは高温変態ベイナイトを含む組織となり
低温靱性が上昇する。なお、油冷以上の冷却速度が得ら
れる冷却方法としては、油冷、水冷、噴水冷却が例示さ
れる。

【００１６】焼戻し温度：５５０〜７００℃ なお、焼戻し温度およびその回数は、鋼の組成、必要な
焼戻し効果などに従って適宜選定されるが、焼戻し温度
が、５５０℃未満であると十分な焼戻し効果が得らない
ため、良好な靱性を得ることができず、また、７００℃
を超えると所望の強度が得られないため、焼戻し温度を
上記範囲内とするのが望ましい。

【００１７】

【実施例】表１に示す組成の供試鋼（Ｎｏ．１〜３）を
真空溶解炉にて溶解し、５０Ｋｇ鋼塊を溶製した。各鋼
塊を１２００℃に加熱して、鍛造比約４で熱間鍛造して
胴径７５ｍｍのタービンロータ素体とし、以下の熱処理
を施した。本発明法の一方法として、各素体を９４０℃
に均一に加熱した後、高圧部および中圧部に相当する部
分を、実体のタービンロータ素体を強制空冷した場合の
中心部冷却速度を想定した２５℃／ｈの冷却速度で冷却
し、低圧部に相当する部分を、噴水冷却した場合の中心
部冷却速度を想定した５０℃／ｈの冷却速度で冷却し
て、冷却速度に差異を設けて焼入れを行った（均一加熱
・偏差冷却）。

【００１８】また、本発明の他の方法として、タービン
ロータ素体の高圧部および中圧部に相当する部分を９７
０℃、低圧部に相当する部分を９３０℃に加熱し、さら
に、高、中圧部に相当する部分を、実体のタービンロー
タ素体を強制空冷した場合の中心部冷却速度を想定した
２５℃／ｈの冷却速度で冷却し、低圧部に相当する部分
を、噴水冷却した場合の中心部冷却速度を想定した５０
℃／ｈの冷却速度で冷却して、焼入れを行った（偏差加
熱・偏差冷却）。さらに、比較法として、タービンロー
タ素体を均一に９５０℃に加熱し、その後、実体のター
ビンロータ素体を噴水冷却した場合の中心部冷却速度を
想定した５０℃／ｈの冷却速度で冷却して、焼入れを行
った（均一加熱・均一冷却）。なお、各素体は、焼入れ
後に、６５０℃で２０時間の焼戻しを施した。

【００１９】次に、熱処理後の供試鋼の材料試験結果を
表２に示す。表２から明らかなように、本発明法によれ
ば、従来法に比べて、高圧部では高温クリープ強度が向
上し、低圧部では靱性が向上している。また、本発明法
中では、偏差加熱・偏差冷却による方法の方が、均一加
熱・偏差冷却による方法よりも上記効果はより顕著とな
っている。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本願発明の高低圧一
体型タービンロータの製造方法によれば、特定組成のタ
ービンロータ素体を同一温度または偏差加熱し、その
後、偏差冷却して焼入れを行うので、高、中圧部の高温
クリープ強度が向上するとともに、低圧部の靱性が向上
し、タービンロータの大型化が可能となり、エネルギ効
率を向上させることができる。また、材料特性の向上に
より高い信頼性を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 志賀 正男 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 福井 寛 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (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 金子 了市 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 森定 祝雄 茨城県勝田市堀口832番地の２ 日立マテ リアルエンジニアリング株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．１５〜０．４％、Ｓ
   ｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｎｉ：
   １．５〜２．５％、Ｃｒ：０．８〜２．５％、Ｍｏ：
   ０．８〜２．５％、Ｖ：０．１５〜０．３５％を含有
   し、残部がＦe および不可避的不純物の耐熱鋼からなる
   タービンロータ素体を焼入れする際に、タービンロータ
   素体全体を同一温度に加熱し、その後、高・中圧部に相
   当する部分が低圧部に相当する部分よりも遅い冷却速度
   となるように冷却することを特徴とする高低圧一体型タ
   ービンロータの製造方法
2. 【請求項２】 重量％で、Ｃ：０．１５〜０．４％、Ｓ
   ｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、Ｎｉ：
   １．５〜２．５％、Ｃｒ：０．８〜２．５％、Ｍｏ：
   ０．８〜２．５％、Ｖ：０．１５〜０．３５％を含有
   し、残部がＦe および不可避的不純物の耐熱鋼からなる
   タービンロータ素体を焼入れする際に、高・中圧部に相
   当する部分が低圧部に相当する部分よりも高温になるよ
   うに加熱し、その後、高・中圧部に相当する部分が低圧
   部に相当する部分よりも遅い冷却速度となるように冷却
   することを特徴とする高低圧一体型タービンロータの製
   造方法
3. 【請求項３】 前記タービンロータ素体を９００〜１０
   ００℃に加熱して、該タービンロータ素体の高・中圧部
   に相当する部分を衝風冷却以下の冷却速度、低圧部に相
   当する部分を油冷以上の冷却速度で焼入し、その後、前
   記素体を５５０〜７００℃で１回以上の焼戻しを行うこ
   とを特徴とする請求項１記載の高低圧一体型タービンロ
   ータの製造方法
4. 【請求項４】 前記タービンロータ素体の高・中圧部に
   相当する部分を９００〜１０３０℃、低圧部に相当する
   部分を８７０〜１０００℃で、しかも高・中圧部に相当
   する部分が低圧部よりも２０〜８０℃高温となるように
   加熱して、高・中圧部に相当する部分を衝風冷却以下の
   冷却速度、低圧部に相当する部分を油冷以上の冷却速度
   で焼入れし、その後、前記素体を５５０〜７００℃で１
   回以上の焼戻しを行うことを特徴とする請求項２記載の
   高低圧一体型タービンロータの製造方法
5. 【請求項５】 タービンロータ素体を構成する耐熱鋼
   は、下記の（１）、（２）及び（３）の少なくとも一つ
   の条件を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   かに記載の高低圧一体型タービンロータの製造方法 （Ｍｎ／Ｎｉ）比：０．２５４以下 （１） （Ｓｉ＋Ｍｎ）／Ｎｉ比：０．２７６以下 （２） （Ｖ＋Ｍｏ）／（Ｎｉ＋Ｃｒ）比：０．３８１〜０．７ （３）
6. 【請求項６】 耐熱鋼の組成に、さらに重量％で、Ｎｂ
   およびＴａ：０．００５〜０．１５％、Ｗ：０．１〜
   １．０％の１種以上を含有することを特徴とする請求項
   １〜５のいずれかに記載の高低圧一体型タービンロータ
   の製造方法
7. 【請求項７】 耐熱鋼の組成に、さらに重量％で、Ｔ
   ｉ、Ａl 、Ｚｒ、Ｂ、Ｃａおよび希土類元素の少なくと
   も１種を合計で０．００１〜０．１％含有することを特
   徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高低圧一体型
   タービンロータの製造方法