JPH1171641A

JPH1171641A - 高強度耐熱鋼

Info

Publication number: JPH1171641A
Application number: JP23359297A
Authority: JP
Inventors: Masato Mikami; 真人三上; Katsuo Kako; 勝夫加来; Masakatsu Ueno; 正勝上野
Original assignee: Japan Casting and Forging Corp
Current assignee: Japan Casting and Forging Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】火力発電用ガスタービンに用いられるタービ
ンロータやタービンディスク等に好適な高強度耐熱鋼を
提供する。【解決手段】重量比で、Ｃ：０．０９〜０．１８％、
Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｍｎ：０．０１〜１％、Ｎ
ｉ：２〜３．５％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｖ：０．１〜
０．３％、Ｎｂ及びＴａの１種または２種で合計：０．
０１〜０．１％、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｍｏ：０．
０１〜０．５％、Ｗ：０．９〜３％を含み、残部不可避
的不純物及び鉄からなることを特徴とし、さらにＢ：
０．００１〜０．０１％を含むことを特徴する高強度耐
熱鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温強度に優れた
高強度耐熱鋼に関するものであり、特に、火力発電用ガ
スタービンに用いられるタービンロータやタービンディ
スク等に好適な高強度耐熱鋼に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この分野での材料としては高強
度、高靭性を目的とした含Ｃｒ鋼が用いられている。例
えば、現在の火力発電用ガスタービンディスクとして、
特公昭６０−８２９９号公報には２．２５Ｃｒ−Ｍｏ−
Ｖ鋼が開示されている。すなわち該公報には、開示鋼を
従来用いられている３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼、Ｃ
ｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼、１２Ｃｒ系ステンレス鋼やＦｅ基耐熱
合金などの鍛造品が、クリープ特性と強度レベルとの関
係から使用温度を高々４００℃としなければならないの
を改良し、最高使用温度が４００〜４５０℃と高くし、
かつ、強度レベルも高い鋼としたことが記述されてい
る。

【０００３】また、特公平７−１０３４４７号公報に
は、ガスタービンディスクに用いられる１２Ｃｒ鋼が開
示されている。該開示鋼は、Ｃｒ：９〜１３％、Ｎｉ：
１．６〜３．６％、Ｍｏ：１．０〜３．０％、Ｖ：０．
１〜０．５％、Ｎ：０．０２〜０．０８％を含有し、し
かもＭｎ，Ｓｉを夫々０．１％以下に低減することを基
本成分とするものであり、４８０℃×６０kgf/mm²での
破断時間が５００時間以上の優れた高温クリープ特性を
有することが実施例に記述されている。

【０００４】従来、ガスタービンプラントはガス燃焼温
度が高温のもので１３５０℃、実際にタービンディスク
素材が加熱される温度は、特公昭６０−８２９９号公報
にも示されているように高々４５０℃である。しかし、
近年発電効率の高効率化が求められており、これを達成
するためには、燃焼温度の高温化、圧縮比の向上が要求
され、より高温高強度のディスク材が必要となってい
る。使用温度が５００℃程度までは、前記特公平７−１
０３４４７号公報に示されているような従来の１２Ｃｒ
鋼を使用することも可能であるが、これを超える温度に
対しては高温強度が不足することから、上記従来鋼をガ
スタービンディスクに適用することは難しく、さらに高
温強度の優れた材料の開発が望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような技術の現状
に鑑み、本発明は１２Ｃｒ系鋼の材料で材料温度が５０
０℃以上となるような高温環境においても使用できる高
温強度に優れ、かつ靭性にも優れた高強度耐熱鋼を提供
することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、１２Ｃｒ系鋼の
材料でも構成する合金成分を調整することにより、特に
ＷとＭｏの添加量を調整し、さらにはＢを添加すること
により、以下に示すような優れた高温強度を有する耐熱
鋼を得ることができた。すなわち本発明は、（１）重量
比で、Ｃ：０．０９〜０．１８％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｍｎ：０．０１〜１％、Ｎｉ：２〜３．５％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｖ：０．１〜０．３％、Ｎｂ及びＴａの１種または２種で合計：０．０１〜０．１％、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｍｏ：０．０１〜０．５％、Ｗ：０．９〜３％を含み、残部不可避的不純物及び鉄
からなることを特徴とする高強度耐熱鋼。及び、（２）
上記の鋼に、さらに重量比で、Ｂ：０．００１〜０．０
１％を含むことを特徴とする高強度耐熱鋼である。上記
組成にすることにより、本発明鋼は５００℃×４５kgf/
mm²でのクリープ破断時間が１０００時間以上で、かつ
２０℃における衝撃値が１０kgf/mm²という優れた特性
を得ることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明者らは、上記したように１
２Ｃｒ系鋼を基本成分とし、添加する合金元素の厳選を
行って高温強度の改善を鋭意行い、優れた高温特性、靭
性を有する新しい高強度耐熱鋼を発明した。特に、本発
明はＭｏと共にＷを添加し、クリープ破断強度の強化を
図り、さらにＢを添加することによりその効果を助長す
る。

【０００８】以下に本発明の高強度耐熱鋼における成分
を限定した理由を述べる。Ｃ：ＣはＮと共に炭窒化物を
形成し、クリープ破断強度の向上に寄与する。しかし、
０．０９％未満では十分な効果が得られず、また０．１
８％を超えると使用中に炭窒化物が凝集粗大化し、高温
長時間側の強度を劣化させる。このため０．０９〜０．
１８％とする。

【０００９】Ｓｉ：Ｓｉは高温強度、特にクリープ破断
強さを低下させる。このため、本発明耐熱鋼においては
真空カーボン脱酸法を適用することも併せて考慮して、
製鋼において必要な最小限度の添加とし、その範囲を
０．０１〜０．１％とする。

【００１０】Ｍｎ：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
化するため、１％を超える量の添加は好ましくない。ま
た、Ｍｎは不純物として混入するＳの悪影響をＭｎＳを
形成することで無害化する作用もある。従って、０．０
１％以上の添加は必要である。このため、０．０１〜１
％とする。

【００１１】Ｃｒ：Ｃｒは炭化物を形成し、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
込み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。また、耐酸化性をも改善する。８％未
満であるとその効果が十分でなく、また１３％を超える
量を添加するとδフェライトを生成しやすくなり、強度
の低下や靭性の劣化をもたきす。このため、８〜１３％
とする。より好ましい範囲は９〜１２％である。

【００１２】Ｖ：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％を超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％とする。

【００１３】ＮｂまたはＴａ：Ｎｂまたは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、またその合計量が０．１％を超える量を添
加すると、鋼塊製造時に生成したＮｂまたはＴａの炭窒
化物が熱処理（溶体化処理：９５０〜１１５０℃）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、Ｎ
ｂ及びＴａの合計量を０．０１〜０．１％とする。

【００１４】Ｎ：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％
を超える量を添加すると、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％とする。

【００１５】Ｍｏ：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。また、Ｍｏは焼入
性を向上させ、強度、靭性の改善に寄与する。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、本発明材のようにＷを複合添加する場合、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％以下の添加とする。また、焼入性の面からは
ＷよりもＭｏ添加の方が有効であるが、高温強度を考慮
して僅かな添加でも必要であり、その量を０．０１％以
上とする。従って、Ｍｏの添加量は０．０１〜０．５％
とし、より好ましくは０．１〜０．３％とする。

【００１６】Ｗ：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Ｍ
ｏ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％の添加とする。より好ましい範囲は１．５〜３．
０％である。

【００１７】Ｎｉ：Ｎｉは焼入性を向上させ、靭性を改
善する上で有効な元素であり、Ｃｒ当量を下げてδフェ
ライトの生成を抑制する効果もある。２％未満では所望
の靭性が得られず、また、３．５％を超える量を添加す
るとクリープ破断強度を劣化させてしまうため、２〜
３．５％の添加とする。

【００１８】Ｂ：Ｂは粒界強度を高くする作用があり、
このため、クリープ破断強度の改善に寄与する。かかる
目的を達成するために必要に応じて添加する。しかし、
０．００１％より少ない量ではＢの効果が十分に得られ
ない。一方、０．０１％を超える量を添加すると熱間加
工性や靭性が低下する。このため、０．００１〜０．０
１％とする。

【００１９】

【実施例】

［実施例１］以下に本発明請求項１に係る発明の実施例
について説明する。表１には試験に供した材料の化学成
分を示す。全ての材料は、５０kg真空高周波溶解炉にて
溶製し、試験材とした。この試験材を加熱温度１２００
℃にて７５mm角材に熱間鍛造を行い、その後に以下の熱
処理を施した。熱処理は１０００℃にて５時間加熱保持
し、直径１８００mm、肉厚５００mmのガスタービンディ
スク材を油冷したときの中心部を模擬した冷却速度にて
焼入処理を行い、次いで焼もどしは各材料の０．２％耐
力がおよそ７９〜８５kgf/mm²になるように６３０〜６
６０℃にて５時間の焼もどし処理を行った。

【００２０】表２に本発明鋼１及び比較鋼の機械的性質
並びにクリープ破断強さを示す。常温引張試験の結果に
はほとんど差はない。一方、衝撃特性の点では、比較鋼
の材料番号５，６，９，１０，１１，１２，１３，１
５，１８が低い値を示しており、本発明鋼に比べて靭性
が低いことが明らかとなっている。

【００２１】また、５００℃、４５kgf/mm²のクリープ
破断時間では、比較鋼の材料番号５，１５，１８につい
ては本発明鋼とほぼ同等のクリープ破断時間を示してい
るが、衝撃特性が本発明鋼に対して著しく低い値を示し
ている。この結果から明らかなように、本発明鋼は優れ
た衝撃特性及びクリープ破断強さの両方を兼ね備えてお
り、比較鋼に比べて格段に優れていることがわかる。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】［実施例２］以下に本発明請求項２に係る
発明の実施例について説明する。表３には試験に供した
材料の化学成分を示す。材料番号１〜４は表１に記載し
た本発明請求項１の発明に係る材料（本発明鋼１）であ
り、材料番号１９〜２２は本発明請求項２の発明に係る
材料（本発明鋼２）である。全ての材料は、実施例１と
同様に５０kg真空高周波溶解炉にて溶製し、試験材とし
た。この試験材を加熱温度１２００℃にて７５mm角材に
熱間鍛造を行い、その後実施例１と同様の熱処理を施し
た。

【００２５】表４に本発明鋼１及び２の機械的性質並び
にクリープ破断強さを示す。本結果から明らかであるよ
うに、本発明鋼１、本発明鋼２とも機械的性質において
ほとんど差はない。クリープ破断時間を比較すると、Ｂ
を添加した本発明鋼２はそれぞれ本発明鋼１よりも明ら
かにクリープ破断時間が向上していることがわかる。
（材料番号１９材は同様な成分の１材にＢを添加したも
のである。同様に、材料番号２０材は２材に、２１材は
３材に、２２材は４材にそれぞれＢを添加したものであ
る。）

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】

【発明の効果】本発明の高強度耐熱鋼は、優れた高温強
度及び靭性を有するため、使用温度が４５０℃を超える
ガスタービン発電プラント用の高温用ガスタービンディ
スク材として有用である。本発明により、現在のガスタ
ービン発電プラントの燃焼温度の上昇が可能となり、更
なる高効率化を達成し、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＜抑える上で有用なもので
あるといえる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で、Ｃ：０．０９〜０．１８％、Ｓｉ：０．０１〜０．１％、Ｍｎ：０．０１〜１％、Ｎｉ：２〜３．５％、Ｃｒ：８〜１３％、Ｖ：０．１〜０．３％、Ｎｂ及びＴａの１種または２種で合計：０．０１〜０．
１％、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｍｏ：０．０１〜０．５％、Ｗ：０．９〜３％を含み、残部不可避的不純物及び鉄からなることを特徴
とする高強度耐熱鋼。
【請求項２】請求項１記載の鋼に、さらに重量比で、Ｂ：０．００１〜０．０１％を含むことを特徴とする高強度耐熱鋼。