JPS58110662A - 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シ、特に５５０〜６００Ｃに
おいて高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
ビン用グ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５６６Ｃ１蒸気圧力
蛾大２４６　ａｔｇである。グレード材としやＨ４６鋼
（１２ＣｒＭＯＮｂＶ鋼）及びａ−ｐ’／ヤ４０−４１
３７、特開昭５６−１１６８５８　に示されいられてい
る。

最近、石油９石炭などの化石燃料のコストが上昇を続け
てシシ、これら化石燃料を用いている火力プラントの発
電効率向上が重要になっている。

発電効率を上げるた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、これよルも
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危い。

本発明の目的は、高温強度の高い耐熱鋼を提供するＫあ
る。

本発明は、重量で、Ｃｒ８〜１３％、Ｍ　Ｏ０，５〜２
％、Ｖｏ、０２〜ａｓ％、Ｎｂ（ＬＯ２〜０．１５％、
ＮＯ，０２Ｓ〜α１％、ＣＧ、０５〜０．２５％、ｓｉ
ｏ％又は０．６％以下、Ｍｆ１１５％以下、Ｎ１１．５
％以下及びＷＯ３１〜０．６５％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１に％黴とする耐熱
鋼にある。

特に、Ｓｉ及びＷの少なくとも１つが各々０２５％以下
及び０．２〜０．５％が好ましい。

本発明は最適ｏｃ、ｓ　ｔ、Ｎｉ、ＭＯ，Ｖ。

Ｎｂ及びＮ量を含有する高Ｃ「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ｆ：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九ものであ
る。

蒸気タービン用ロータには、Ｃ「９〜１２％、Ｍ　Ｏ０
，７５〜１．７５　％、Ｖ　０．０５〜０．３　％、Ｎ
ｂＯ，０２〜０．１２％、Ｎ　Ｏ，０２５〜０．１　％
、ｃ　ｏ、　ｉ　〜０．２５％、ｓｉｏ、２ｓ％以下、
Ｎｉ１％以下、Ｍｆ１１％以下、及びＷＯ６１〜０．５
％を含む焼戻しマルテンサイ・ト鋼、グレードには、Ｃ
ｒ９〜１２％、ＭＯｏ、７５〜１．７５％、Ｖ　０．１
〜０．３％、Ｎｂ０．０５〜０．１５％、ＮＯ，０２５
〜０．１％、Ｃ０，０５〜α２％、Ｓｔα２５％以下、
Ｎｉ１％以下、Ｍｆｉ１％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ＫＯ，０５％以上必要な元
素であるが、その量が０．２５％を越えると、高温に長
時間さらされ九場合に組織が不安定になり長時間クリー
プ破断強度を低下させるので、０．０５〜（Ｌ２Ｓ％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
が、らｉシ多量に添加すると特に大型鋼塊ではＮｂ炭化
物の組人な析出が生じ、また、マトリックスのＣ６度を
低下させ、かえって強ｔｔ−低下させた）、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０
．１５％以下に抑える必要がある。また０、０２％未満
のＮｂでは効果が不十分である。特に、０．０７〜α１
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％未満ではその効果が充
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。

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シ、８％より少ないと高温
高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。

Ｖはクリープ破断強度を高める効果があるが、０．０２
％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Ｋ。

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、１５％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。

Ｍｆｉ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、１５％を越える多量添加はクリ
ープ破断強度を低下させる。Ｉｌ！ｆＫ、０．５〜１％
が好ましい。

Ｂ＋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。ｔ
た、Ｓｉを低くすることによシ、δフエライト析出防止
及び靭性改善に効果があるので、α６％以下に抑える必
要がある。添加する場合、４１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０、６５％を越えると急激に強度を
低下させる。ＷＦｉＯ，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％が好ましり、　　
　　。

一般に、クリープ破断強度を高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
ずにクリープ破断強度が改善できることか確堅された。

本発明の耐熱鋼は、実質的に全焼戻しマルテンサイト組
織からなる。この合金はδフェ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れば
、高い高温強度が得られない。δフエライト量の制御は
クロム当量によって行なうことができる。

クロム当量＝−４０ＸＣ％−３０ＸＮ％−２ｘＭｎ％−
４ｘＮｔ％＋Ｑｒ％＋６×ＳＭ％＋４ＸＭＯ％＋　１．
５　ＸＷ％＋１１ＸＶ％＋５ＸＮｂ％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
Ｉ？ｌｉ＋に６〜１２、更に９〜１２が好ましい。ロー
タシャフトの場合は１０１ｓ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と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鋼塊を作製し、次に１１５０
１：”に加熱後、３５ｗＸ１１５ｗ×ｔに熱間鍛伸し九
、第１表はこれらの代表的試料の化学組成を示す、試料
ＡＸはクルジプル４２２相尚材、Ａ２はＨ４６相轟材で
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Ａｌａ
ｌ、（［Ｏｒから油焼入れ後、６３０Ｃで焼戻ししたも
の％Ａ２〜６は１，１００ｔ：’から油焼入れ後、６５
０ｔｌ’で焼戻ししたものである。第３表は機械的性質
を示す０表中のＰＡＴＴは衝撃試験後の試験片破面が延
性破面５ｏ％、脆性破面５０％を示す温度（５０％破面
遷移温度）であシ、この温度が低いほど靭性は高い、こ
の表で６００Ｃ，１０！ａｈクリ一プ破断強度を見ると
、発明材は１４２〜１４５ＫＩＩ／■２で、高効率ター
ビン材として必要な強度（１！５に４／ｍ”）以上であ
夛、現用ブレード材層１（ａ４〜／−り及びＪｆ６２（
９，ＩＪｋ／−勺よ〕着しく高−ことが確認された。

また靭性（衝撃値及びＦＡＴＴ）も現用材と同等も第　
　　２　　　表 第　　　３　　　表 レードとしてきわめて有用であると言える。

比較材ＡｓのようＫＡｔがα０２％を越えるものでは長
時間クリープ破断強度が低くζ本発明の目的が達成され
ない。ま九比較材４６のようにＷが多すぎてもδフェラ
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Ｗ量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％の範囲で最も効果が顕著である。

第２図はＦＡＴＴに及はすＡ／、及びＷの影響を示す線
図である。Ａ／、はＦＡＴＴＫ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後、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Ａ８ＴＮ　４７０−ｃｌ
ａｓｓ及びｌｌＣｒ１Ｍ０ＶＮｂＮ鋼相当材でｌ、Ａ３
Ｃ，４Ｃ及び７Ｃは本発明材であり、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１００Ｃ／ｋｌで冷却した。第６表は機械的性
質を示す。表中のＦＡＴＴは５０％破面遷移温度であシ
、この温度が低いほど靭性が高いと言える。クリープ破
断強度を見ると発明材の６００Ｃ，１０’　ｈクリープ
破断強度は１ｌＶ４／Ｗ！で、高効率タービン材として
必要な強度（１０に４／−１７以上）以上であシ、現用
タービンロータ材Ｃｒ−ＭＯ−Ｖ鋼（４，６Ｋｇ／ｍ”
　）及び１１ＣｒＩＭＯＶＮｂＮ鋼（＆５Ｋｐ／ｍ”　
）よシ著しく高いことが確認された。また靭性も現用材
（ＡＩＡ及び２Ｂ）よシ優れておシ、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言える。

４５ＣのようにＡｔが０．０１５％を越えると、第　　
　　５　　　　表 １０’時間クリープ破断強度が１１　ｈ／ｖｍ”以下と
なる。φ噂尋目４−麟ζ比較材Ａ６ＣのようにＷが多す
ぎてもδフェライトが析出し、靭性が低く、発明の目的
が達成されないことも確ψされた。

第３図は６００Ｃ，１０４時間クリープ破断強度に及ぼ
すＷの影響を示す線図である。図に示す如く、ＷはＯ０
１〜０．６５％で高い強度を示している。

第４図はＦＡＴＴに及ぼす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がわかる。

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にシャ
フトをゆつ〈シ径方向に回転させながら行うことが全体
を均一な温度に加熱することから好ましい。このよ、う
な熱処理によシロ、−タシャフトは長時間使用に対して
経年−シが防止できる。

本発明の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，１０”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Ａ／、、Ｗ量との関係を示す線図である。 第１図 Ｗ　（’／、） 第２図 ８３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量で、Ｃｆ８〜１３％、Ｍ　ＯＯ，５〜２％、ｖ
   ｏ、ｏｚ　〜ａｓ％、Ｎｂ（ＬＯ２〜０．１５％、ＮＯ
   ，０２５〜（Ｌ１％、ＣＯ，０５〜０．２５　％、８　
   ｉ　０％又は０．６％以下、Ｍ口Ｌ５％以下、Ｎｉ１．
   ５％以下及びＷｏ、１〜α６５％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
   。 λ　重量で、前記９ｉ及びＷの少なくとも１つが各々α
   ２５％以下及びα２〜０．５％である特許請求の範囲第
   １項に記載の耐熱鋼。 ふ　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、Ｃｆ９〜１２％、ＭＯｏ、７５〜１．７５
   ％、Ｖ　０．１〜０．３％、ＮｂＯ，０５〜０．１５％
   、ＮＯ，０２５〜α１％、ｃ　ｏ、　ｏ　ｓ〜０．２％
   、５ｉＯ０２５％以下、〜５」１％以下、Ｍｆ１１％以
   下及びＷａ１５〜α５％を含む特許請求の範囲第１３１
   Ｊに記載の耐熱鋼。 屯　前記鋼のＣｒ当量が９〜１２である特許請求の範囲
   第１項〜第３項のいずれかに記載の耐熱鋼。 ＆　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％、ＭＯｏ、７５〜１．７５％
   、Ｖ　０．０５〜０．３　％、ＮｂＯ，０２〜０．１２
   ％、ＮＯ，０２５〜０．１％、ｃ　ｏ、　ｉ〜０．２５
   ％、ＢＬｏ、２５％以下、Ｎｔｔ％以下、Ｍｆｉ１％以
   下及びｗｏ、ｉｓ〜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嶋量が６．５〜１０．５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。