JPS58110661A - 耐熱鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な耐熱鋼に係り、特に５５０〜６００Ｃに
おいて痛いクリープ破断強度と高靭性特性を有し、かつ
均一な焼もどしマルテンサイト組織を有する蒸気タービ
ン用ブレード及びロータに使用する耐熱鋼に関する。

現在の蒸気タービンは蒸気温度最大５６６ｒ。

微気圧力最大２４６　ａｔｇである。ブレード材として
はクルジプル４２２鋼（１２ｃｒ１ＭＯＩＷ！−ｖ鋼）
やＨ４６鋼（１２０ｒＭｏＮｂＶ鋼）及ヒロータシャフ
ト材としてｔｃｒ−ＩＭＯ−”Ｖ鋼や特公昭４０−４１
３７．特開昭５６−１１６８５８に示されているｌｌＣ
ｒ−ｌＭｏ−”Ｖ−Ｎｂ−Ｎ鋼が用いられている。

最近、石油１石炭などの化石燃料のコストが上昇を続け
ておシ、これら化石燃料を用いている火カフラントの発
電効率向上が重要になっている。

発電効率を上げる丸めには蒸気タービンの蒸気温度又は
圧力を上げる必要がある。これら高効率タービン用材料
としては、現用タービン材では強度不足で、これよシも
高強度の材料が必要である。

しかし、前述した合金はいずれも高温強度及び靭性が高
温化に対して十分でない。

本発明の目的は、高温強度の高い耐熱鋼を提供するにあ
る。

″、。

本発明は、重量で、Ｃｔ８〜１３％ｅＭｏｏ、ｓ〜２％
、Ｖ（ＬＯ２〜０．５％、　ＮｂＯ，０２〜０．１５％
、ＮＯ，０２５〜０．１％、ｃｏ、ｏｓ〜０．２５％。

ｓｉｏ％又は０．６％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｎｉ１
．５％以下、ＡｔＯ，０２％以下及びＷ　０．１−０．
６５％を含み、実質的に全焼戻マルテンサイト組織を有
することを特徴とする耐熱鋼にある。

特に、Ｓｉ、Ａｔ及びＷの少なくとも１つが各各０．２
５％以下、０．０１％以下及び０．２〜０．５％が好ま
しい。

本発明ｔｄ、最ａ（ＤＣ，８ｉ　、　Ｎ　ｉ　、　Ｍ　
ｏ　、　Ｖ。

Ｎｂ及びＮｔを含有する高Ｃｒマルテンサイト系合金鋼
に、特定の極微量のＡｔと微量のＷとを添加することに
よって靭性を低下させずに顕著に高温長時間クリープ破
断強度が高められることを究明してなされたものである
。

蒸気タービン用ロータには、Ｃｒ９〜１２％ｓ　Ｍ　。

０．７５〜１．７５％、ｖｏ、ｏｓ〜０．３％、ＮｂＯ
，０２〜０．１２％。

ＮＯ，０２５〜０．１％、Ｃ０，１〜０．２５％、８ｉ
０．２５％以下。

Ｎｉ１％以下、Ｍｎ１％以下、Ａｔα０１％以下及びＷ
Ｏ０１〜０．５％を含む焼戻しマルテンサイト鋼、ブレ
ードには、Ｃｒ９〜１２％、　ＭＯ０，７５〜１．７５
％、Ｖｏ、１〜０．３％。

Ｎｂｏ、ｏｓ〜０．１ｂ％、ＮＯ，０２５〜０．１％、
ｃｏ、ｏｓ〜０．２％。

３１０．２５％以下、Ｎｉ１％以下、Ｍｎ１％以下、Ａ
ｔｏ、ｏｉｓ％以下及びＷｏ、１５〜０．５％を含む焼
戻しマルテンサイト鋼が好ましい。

Ｃは高い引張強さを得るために０．０５％以上必要な元
素であるが、その量が０．２５％を越えると、制電に長
時間さらされ九場合に組繊が不安定になシ長時間クリー
プ破断強度を低下させるので、０．０５〜０．２５％に
限定される。特に、０．１〜０．２％が好ましい。

Ｎｂは高温強度を高めるのに非常に効果的な元素である
六ｉｂまシ多量に添加すると特に大盤鋼塊ではＮｂ炭化
物の組人な析出が生じ、また、マトリックスのＣ濃度を
低下させ、かえって強度を低下させたり、疲労強度を低
下させるδフェライトを析出させる欠点があるので０１
５％以下に抑える必要がある。またα０２％未満のＮｂ
では効果が不十分である。ｑ／＃に、０．０７〜０．１
２％が好ましい。

Ｎはクリープ破断強度の改善及びδフェライトの生成防
止に効果があるが、０．０２５．、％未清ではその効果
が充分でなく０．１％を越えると著しく靭性を低下させ
る。特に、０．０４〜０．０７％が好ましいう Ｃｒは高温強度を改善するが、１３％を越えるとδフェ
ライトを生成させる原因となり、８％より少ないと高温
尚圧蒸気に対する耐食性が不十分となる。特に、１０〜
１１．５％が好ましい。

■はクリープ破断ｇｉ度を高める効果があるが、０．０
２％未満ではその効果が不十分で、０．５％を越えると
δフェライトを生成して疲労強度を低下させる。特に、
０．１〜０．３％が好ましい。

ＭＯは固溶強化及び析出硬化作用によってクリープ強度
を改善するが、０．５％未満ではその効果が少なく、２
％を越えるとδフェライトを生成し、靭性及びクリープ
破断強度を低下させる。特に、０．７５〜１．５％が好
ましい。

Ｎｉは靭性を高め、かつ、δフェライトの生成を防止す
るのに非常に有効な元素であるが、１．５％を越える添
加はクリープ破断強度を低下させてしまうので好°まし
くない。特に、０．４〜１％が好ましい。

Ｍｎは脱酸剤として添加するものであシ、少量の添加で
その効果は達成され、１．５％を越える多量添加はクリ
ープ破断強度を低下させる。特に０．５〜１％が好まし
い。

Ｓｉも脱酸剤として添加するものであるが、真空Ｃ脱酸
法などの製鋼技術によれば、Ｓｉ脱酸は不要である。ま
た、８１を低くする仁とにより、δフエライト析出防止
及び靭性改善に効果があるので、０．６％以下に抑える
必要がある。添加する場合、時に、α２５％以下が好ま
しい。

Ｗは微量で顕著に高温強度を高める。０．１％未満では
効果が少なく、またα６５％を越えると急激に強度を低
下させる。Ｗは０．１〜α６５％以下とすべきである。

一方、Ｗは０．５％を越えると著しく靭性を低めるので
、靭性が要求される部材ではα５％未満とするのが好ま
しい。特に、０．２〜０．４５％が好ましい。

ＡｔＦｉ、脱酸剤として有効な元素で、０．０２％以下
添加する。０．０２％を越えるＡｔ量は高温強度を低め
る。

に抑えることによって高温で長時間加熱された場合の冶
金組織の安定性が改善され、高温長時間クリープ破断強
度が著しく高められる。一般に、クリープ破ｌｆｉ５ｇ
１．度を尚めると靭性が低下するという相反する現象が
あるが、本発明によれば靭性を損わずにクリープ破ｖｒ
強度が改善できることが確認された。

本発明の耐熱鋼は、夾質的に全焼戻マルテンサイト組織
からなる。この合金はδフエライトが組成によって形成
されるので、実質的に形成されない組成としなけｎば、
高い高温強度が得られない。

δ７エライト童の制御はクロム当量によって行うことが
できる。

クロム当１１ｉ＝−４０ＸＣ％−３０×Ｎ％−２ＸＭｎ
％−−４ＸＮｉ％＋Ｃｒ％＋６Ｘｆ９　ｉ％＋４ＸＭＯ
％ｆ　１．５　Ｘ’ｉＰＡ＋　１１　ＸＶ’１０＋　５
　Ｘ　Ｎ　ｂ％本発明において、蒸気タービン用ブレー
ドの場合のクロム当量は１２以下、特に、６〜１２、更
に９〜１２が好ましい。ロータシャフトの場合は１０．
５以下、特に４〜９．５、更に６．５〜９．５が好まし
い。

δフエライト組織が生成する七疲労強度及び靭性を低下
させるので組織は均一な焼もどしマルテンサイト組織に
する必要がある。

実施例１ 高周波誘導溶解炉を用いて一塊を作製し、次に１１５０
１：’に加熱後、３５ｍＸ１１５ｍＸｔに熱間鍛伸した
。第１表はこれらの代表的試料の化学組成を示す、賦＊
Ａ１はクルジプル４２２相轟材、４２はＨ４６相当材で
あシ、本発明材と比較のため溶製したものである。試料
Ａ３及び４が本発明鋼である。

第２表は蒸気タービン用ブレードとして行われるものと
同じ条件で行った試料の熱処理条件を示す。試料ムｌは
１０５０Ｃから油焼入れ後、６３０Ｃで焼戻ししたもの
、Ａ２〜６ＦｉｌｌＯＯｒから油焼入れ後、６５０Ｃで
焼戻ししたものである。第３表は機械的性質を示す。表
中のＦＡＴＴは衝撃試験後の試験片破爾が延性破面５０
％、脆性破面５０％を示す温度（５０％破面遷移温度）
であり、この温度が低いほど靭性は高い。この表で６０
００ｓ１０５ｈクリ一プ破断強度を見ると、発明材は１
４．２〜１４．５　Ｋｉｉ／ｍ”で、高効率タービン材
として必要な強［（１２，５Ｋｆ／ｍ”　）以上であシ
、現用ブレード材屋１（６，４匂／−”　）及びＡ２（
９，Ｉ　Ｋｐ／ｇ”　）よシ著しく高いことが確認され
た。また靭性（衝撃値及びＦＡＴＴ）も現用材と同等も
しくはそれ以上であシ、高温高圧蒸気タービンブレード
としてきわめて有用であると言える。

比較材４５のようにＡｔが０．０２％を越えるものでは
長時間クリープ破断強度が低く、本発明の目的が達成さ
れない。また比較材ムロのようにＷが多すぎてもδフエ
ライトが析出し、靭性が低く、クリープ破断強度も発明
材に比べると低い。

第１図は６００Ｃ，１０’時間クリープ破断強度に及ぼ
すＷｔの影響を示す線図である。図に示す如く、Ｗは０
．１％以上で顕著に強度を高めるが、逆に０．６５％を
越えると急激に強度を低めることがわかる。特に、０．
２〜０．４５％の範囲で最も効第　　　２　　　表 第３表 果が顕著である。

第２図はＦＡＴＴに及ぼすＡ／、及びＷの影響を示す線
図である。ＡｔはＦ’ＡＴＴＫあまシ影響しないが、Ｗ
は０．４５％を越えると著しくＦＡＴＴを高め、靭性を
低めることがわかる。

実施例２ 高周波誘導溶解炉を用いて鋼塊を作製し、次に１１５０
Ｃに加熱後鍛造し実験素材とした。この素材から試験用
素材を切シ出し、蒸気タービン用ロータ中心部をシミュ
ーレートした熱処理を施した代、鍛造直角方向に引張試
験片、衝撃試験片及びクリープ破断試験片を採取した。

第４表は代表的試料の化学組成（重量％）を示す。試料
ＡＩＡ及び２Ｂは、従来ロータＡＳＴＭ４７０−Ｃ１ａ
ｓｓ　８及び１１Ｃｒ１ＭｏＶＮｂＮ鋼相当材であｆｉ
、Ａ３Ｃ。

４Ｃ及び７Ｃは本発明材であシ、Ａ５Ｃ及び６Ｃは比較
材である。第５表は試料の熱処理条件を示す。焼入冷却
速度は大型ロータの中心部の条件をシミューレートして
１００ｒ／ｈで冷却した。第６表は慎械的性質を示す。

表中のＦＡＴＴは５０％吸面遷移温度であシ、この温度
が低いほど靭性が＾いと言える。クリープ破断強度を見
ると発明材の６０００，１０藝ｈクリ一プ破断強度は１
１助／■雪で、高効率タービン材として必要な強度第　
　　５　　　表 第　　　６　　　表 （１０Ｋｆ／■１以上）以上であシ、現用タービンロー
タ材Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼（４，６Ｋｇ　／ｗａｓ　”　）
及び１１Ｃｒ１ＭｏＶＮｂＮ鋼（＆　５　Ｋｇ／ｗａ”
　）よシ著しく尚いことが確認された。また靭性も埃用
材（ＡＩＡ及び２Ｂ）より優れており、高温高圧蒸気タ
ービン用ロータとしてきわめて有用であると百える。

Ａ５ＣのようにＡｔが０．０１５％を越えると、１０１
時間クリープ破断強度が１１に９７ｗ”以下となる。が
達成されない。比較材Ａ６ＣのようにＷが多すぎてもδ
７エライトが析出し、靭性が低く、発明の目的が達成さ
れないことも確認された。

第３図け６００ｔｌｌ’、１０”時間クリープ破断強度
に及はすＷの影響を示す線図である。図に示す如く、Ｗ
は０．１〜０．６５％で高い強度を示している。

第４図はＦＡＴＴに及はすＷの影響を示す線図である。

図に示す如く、Ｗは０．１〜０．６５％でＦＡＴＴが低
く、高い靭性を有することかわかる。

特に０．２〜０．５％でＦＡＴＴが低い。

蒸気タービン用ロータシャフトは焼入れ温度での加熱保
持中及び焼戻し温度での加熱保持中さらに冷却時をシャ
フトをゆつくシ径方向に回転させなから行うことが全体
を均一な温度に加熱することから好ましい。このような
熱処理によりロータシャフトは長時間使用に対して経年
臼シが防止できる。

本発明鋼の６００Ｃまでの高温クリープ破断強度は著し
く高く、高効率蒸気タービン用ブレード及びロータとし
て要求される強度を十分満足し、６００Ｃまでの高効率
タービン用ブレード及びロータとして好適である。

なお本発明材は、他の高温機器部材にも用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は６００Ｃ，１０１時間クリープ破断
強度とＷ量との関係を示す線図、第２図及び第４図はＦ
ＡＴＴとＡｔ、Ｗ量との関係を示す第１図 Ｗ　（７：） 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量で、Ｃｒ８〜１３％、ＭＯ０，５〜２％。 Ｖｏ、０２〜０．５％、Ｎｂ０．０２〜０．１５％、Ｎ
   Ｏ，０２５〜α１％、ｃｏ、ｏｓ〜０．２５％、ＳｔＯ
   ％又は０．６％以下、Ｍｎ１５％以下、８％１．５％以
   下、Ａｔ０．０２％以下及びＷｏ、１〜０．６５％を含
   み、実質的に全焼戻マルテンサイト組織を有することを
   特徴とする耐熱鋼。 ２、重量で、前記８ｉ、Ａｔ及びＷの少なくとも１つが
   各ｋａ、２５％以下、０．０１％以下及び０．２〜０．
   ５％である特許請求の範囲第１項に記載の耐熱鋼。 ３、蒸気タービン用ブレードを構成する鋼であって、政
   調が重量で、Ｃｒ９〜１２％、ＭＯｏ、７５〜１．７５
   ％、ＶＱ、１〜０．３％、　Ｎｂ０．０５〜０．１５％
   、Ｎα０２５〜０．１％、Ｃα０５〜０．２％。 ＳｉＱ、２５％以下、Ｎ＆１％以下、Ｍｎ１％以下。 Ａｔ０．０１５％以下及びＷｏ、１５〜０．５％を含む
   特許請求の範囲第１項に記載の耐熱鋼。 ４、前記鋼のＣｒ当量が６〜１２である特許請求の範囲
   ｓ１項〜第３項のいずれかに記載の耐熱鋼。 ５、蒸気タービン用ロータを構成する鋼であって、政調
   が重量で、Ｃｒ９〜１２％＊ＭＯ０，７５〜１．７５％
   、ｖｏ、ｏｓ〜０．３％、ＮｂＯ，０２〜０．１２％、
   ＮＯ，０２５〜０．１％、Ｃ０，１〜０．２５％。 ５ｉ２５％以下、Ｎｉ１％以下、Ｍｒ１１％以下。 ＡｔＯ，０１％以下及びＷｏ、１５〜０．５％を含む特
   許請求の範囲第１項に記載の耐熱鋼。 ６、前記鋼のＣｒ当量が４〜１０．５である特許請求の
   範囲第１項、第２項又は第５項に記載の耐熱鋼。