JPS5837159A - マルテンサイト系耐熱鋼 - Google Patents

マルテンサイト系耐熱鋼

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JPS5837159A
JPS5837159A JP56132798A JP13279881A JPS5837159A JP S5837159 A JPS5837159 A JP S5837159A JP 56132798 A JP56132798 A JP 56132798A JP 13279881 A JP13279881 A JP 13279881A JP S5837159 A JPS5837159 A JP S5837159A
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JP
Japan
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strength
steel
creep rupture
heat resistant
rupture strength
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Pending
Application number
JP56132798A
Other languages
English (en)
Inventor
Masao Shiga
志賀 正男
Seishin Kirihara
桐原 誠信
Mitsuo Kuriyama
栗山 光男
Takatoshi Yoshioka
吉岡 孝利
Shintaro Takahashi
慎太郎 高橋
Takehiko Yoshida
武彦 吉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Priority to US06/411,802 priority patent/US4414024A/en
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Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C38/00Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Heat Treatment Of Strip Materials And Filament Materials (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

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】 本発明はマルテンサイト系耐熱鋼に係り、特にタービン
ブレード等に好適な高温強度の高いマルテンサイト系耐
熱鋼に関する。
現在の蒸気タービンは蒸気烏度最犬566C。
蒸気圧力最大246 atg、であり、ブレード材とシ
テはクルジプル422鋼(12Cr−IMO−IW鋼及
び11Cr−IMO−V−Nb−N鋼が用いらレテイる
しかし最近、石油2石炭などの化石燃料のコストが上昇
を続けており、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、前述
のタービン用材料として用いられているものではクリー
プ破断強度が不足で、これよりも高強度の材料が必要で
ある。
このような高温における高強度材として種々のものが提
案されており(例えば特公昭40−4137゜特公昭5
O−5644)、それなりの効果を奏してはいるが、5
50tZ’以上の高温においてはクリープ破断強度が不
足するようになる。
またクリープ破断強度の点からは、Ni基合金及びCo
基合金が優れているが、これらは加工性が悪く減衰率も
低いとともに、コスト高である。
本発明の目的はこのような従来技術の問題点を解消し、
550〜600tZ”の高温においても強度が高く、特
にクリープ破断強度に優れたマルテンサイト系耐熱鋼を
提供するにある。
発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、C,Nb。
Ni及びNを含有する1 1Cr系耐熱鋼にδフェライ
トを析出させない程度の適量のMO及びWを添加すると
クリープ強度が高められることを見出した。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり
、Cr9〜12%、Vo、1〜0.3%。
N b 0.02〜0.25%、co、i〜0.2%、
 NO,03〜0.1%、第1図の点A(MOo、7%
、Wl、1%)、B(MOl、2%、Wl、1%)、C
(MOl、6%、Wo、33%)、D(MOo、7%、
WO133%)で囲まれる範囲内にあるMO及びw、s
to、t%以下、Mn1%以下、N11%以下残部がF
eからなる高温強度の高いマルテンサイト系耐熱鋼であ
る。なお%はすべて重量%である。
本発明において、Cは引張強さを得るために必要な元素
であるが、その量が多くなると高温にさらされた場合に
組織が不安定になりクリープ破断強度を低下させるので
0.1〜0.2%に決定された。
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、あまり多量に添加するとNb炭化物の析出があまり
にも多くなシマトリックスのC濃度を減少させてかえっ
て強度が低下する。11Cr系鋼にMO,W、V及びN
が複合添加されている場合には、タービンブレードのよ
うに小型部材では焼入冷却速度が大きくなるところから
Nbは0.07〜0.25%とするのが好ましい。一方
ロータシャフトの如き大型部材においては焼入冷却速度
が小さいところからNbは0.02〜0.15%の、範
囲で高いクリープ破断強度が得られる。
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、0.1%以上になると著しく靭性を
低下させることが確認された。
Crは高温強度を改善するが、9%より少ないと高部高
圧蒸気に対する耐食性が十分でなく、多すぎるとδフェ
ライトを生成する原因になるので9〜12%に決定され
た。
Niは靭性を高め、かつδフエライト生成を防止するの
に非常に有効な元素であるが、多量の添加はクリープ破
断強度を低下させてしまうので1%以下にした。
Mnは脱酸剤として添加するものであり、少量の添加で
十分効果は達成される。多量の添加は高温強度低下の原
因になるので1%以下とした。
Siも脱酸剤として添加してしたものであるが、C真空
脱酸法などの製鋼技術によればSi脱酸は不必要である
。またSlを低くすることによりδフェライトの析出防
止及び焼もどし脆化防止効果があり、0.4%以下とし
た。
上記の成分範囲の11Cr系鋼においては、MO及びW
が低いとクリープ破断強度が低く、多すぎるとδフェラ
イトが生成し、かつクリープ強度も低くなる。MO及び
Wの適正添加量は第1図のA、B、C,Dで囲まれた範
囲内にあることが実験的に確認された。特に第1図の点
E(MOo、9%、Wo、9%)、F(MOl、3%、
Wo、9%)、C,G(MOl、1%、Wo、33%)
で囲まれた範囲においては一層クリープ破断強度が高く
好ましい。
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例1 真空アーク溶解炉を用いて200φ×800tの鋼塊を
作製し35X115X7に鍛伸した。第1表にこれらの
代表的試料の化学組成を示す。
A1はクルジb゛ル422相当材、扁2はH46相当材
、A3は従来の12Crロータ相当材であり、夫々本発
明材との比較のために溶製したものである。A、5,7
.10及び14は本発明の実施例に係るものである。
なお、漸1は1050Uで油焼入れ後、630C炉冷の
焼もどし処理を行った。それ以外の試料は1100t:
’油焼入れ後、650C炉冷の焼もどし処理を行った。
第1表には、各試料についての引張強さ、伸び及び絞り
についての測定結果を示した。
第2図に11 Cr−MO−W−0,2V−0,1N 
b−0,05N鋼のMO及びW含有量と600Cクリ一
プ破断強度の合・否及びδフエライト有無の関係を示す
第2図よりW及びMO含有量が少ない場合にはり ゛リ
ープ破断強度が低く、W及びMO含有量が多すぎるとδ
フェライトが生成しクリープ破断強度も低く、高クリー
プ破断強度と均一な全マルテンサイト組織を有するWと
MOの範囲はABCDの範囲内に入ることが明らかであ
る。さらに高クリープ破断強度の範囲はE、F、C,G
の範囲内にあシ、WとMOはこの範囲内にあることが好
ましい。
なおりリープ破断強度は、600C,10’ hクリー
プ破断強度σRが、σR≧15 kg/am2のものを
合格とし、σR< 15 kg/w+”と判定した。
また組織はδフェライトの無いものは合格、存在するも
のは不合格と判定した。しかして図中○。
△、、Xなる信号は夫々、 0:クリープ破断強度、組織ともに合格、Δ:クリープ
破断強度合格しかし組織は不合格、:クリープ破断強度
不合格、組織は合格、×:クリープ破断強度、組織とも
に不合格、を表わす。
また、WとMO量が第2図のA、B、C,Dの範囲内で
もS−i量が0.40%よりも多い場合にはδフェライ
トが生成することが認められた。さらにδフェライトを
含む試料は疲労強度が低く、δフェライトはこの点に関
して有害であることも認められた。
また1 1 Cr−1,3M0−0.2W−0,2V−
0,05N鋼のNb含有量を変化させた試料についてり
IJ−ブ破断強度を比較したところN b 0.07〜
0.25%で高い強度が得られることが認められた。0
.05%ではやや強度が低下した。
第3図は現用タービン材クルジプル422鋼及びH46
鋼と本発明鋼(蔦7)のクリープ破断試験結果をラルソ
ンーミラー法でまとめたものである。即チラルソンーミ
ラーのパラメータPを、次式 %式% t;時間(h) で算出し横軸にプロットし、これに対応する応力を縦軸
にプロットしたものである。第3図より本発明材の60
Or、10’hクリ一プ破断強度は15、7 Kg/ 
mm2で従来材に比し著しく高く、蒸気温度600Cま
での高効率タービン用ブレード材として好適であること
が認められる。
また高温部材が長時間使用中に脆化する(衝撃値低下)
ことは一般に知られており、脆化は破壊寿命を短かくす
る。そこで550Cで3000時間加熱後、衝撃試験を
行なった結果、本発明材は現用材に比べ著しく脆化し難
いことが確認された。
実施例2 第1表に示すA14の組成の試料に、大形ロータ中心孔
相当の熱処理を施した。その条件を次に示す。
焼入れ:1050t:”  100C/h冷却焼もどし
: 570CX15hAC 665Cx30hF、C 第4図はこの試料のクリープ破断試験結果をラルソンー
ミラー代でまとめたものである。比較のため従来材(A
3,12crロータ材相当)についての試験結果も併せ
て示す。第4図より、本発明材(Jf6.14)は従来
材(A3)よシも著しくクリープ破断強度が高いことが
認められる。また高クリープ破断強度(60’OC,1
05h強度二11 Kg/mm2以上)と均一なマルテ
ンサイト組織を有する蒸気温度600Cまでの高効率タ
ービンロータとして好適なWとMOの範囲は第1図の点
A、B、C,Dで囲まれる範囲内、好ましくはE。
F、C,Gで四重れる範囲内であることが確認された。
また1 1 Cr−1,3M0−0.3W−0,2V−
0,05N鋼のNb含有量を変化させた試料についてり
IJ−プ破断強さを測定したところ、N b 0.05
−0.10   ・%で高い強度が得られた。また0、
21%ではやや強度が低下した。
ロータシャフト材としては、クリープ破断強度が高いだ
けでなく、引張強さ及び衝撃値の高いことも重要である
。本発明材(試料A 14 )について調べた結果、6
00C,10’h クリープ破断強度:A2.sKg/
閣2.引張強さ: 93. OKg/簡2及びVノツチ
シャルピー衝撃値:1.5Kg−mであり、ロータシャ
フト材としてすぐれた機械的性質を示し、組織もδフェ
ライトが認められず均一な焼もどしマルテンサイトであ
ることが確認された。
以上詳述した通り、本発明に係るマルテンサイト系耐熱
鋼は高温強度が著しく高く、特にクリープ破断強度が高
く蒸気温度600Cまでの高効率ターピン用ブレード及
びロータ材として好適である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る鋼のW及びMOの組成範囲を示す
図、第2図は実施例に係る鋼の強度及び組織の試験結果
を示す図、第3図及び第4図は実施例及び比較例に係る
鋼のクリープ破断試験結果名1回 Me (仏ジ 820 Me  (%)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、Cr9〜12%、Vo、1〜0.3%、NbO,0
    2〜0.25%、C0,1〜0.2%、No、03〜0
    .1%。 第1図の点A、B、C,Dで囲まれる範囲内にあるMO
    及びw、sio、4%以下、Mn1%以下。 N11%以下残部peからなる高幅強度の高いマルテン
    サイト系耐熱鋼。 2、均一な焼もどしマルテンサイト組織である特許請求
    の範囲第1項記載のマルテンサイト系耐熱鋼。 3、 Nbの含有率は0.07〜0.25%である特許
    請求の範囲第1項又はi2項記載のマルテンサイト系耐
    熱鋼。 4、タービンブレード用の特許請求の範囲第1項ないし
    第3項のいずれか1項に記載のマルテンサイト系耐熱鋼
    。 5、MOとWの含有率は第1図の点E、F、C。 Gで囲まれた範囲内である特許請求の範囲第1項ないし
    第4項のいずれか1項に記載のマルテンサイト系耐熱鋼
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