JPS60245772A - 高低圧一体型蒸気タ−ビンロ−タ用低合金鋼 - 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】 （本発明の技術分野） 本発明は、高低圧一体型蒸気タービンロータ用低合金鋼
に関する。

（従来技術の概要とその欠点） 蒸気タービンのロータ材には、低合金鋼の大型鍛造品が
用いられるが、近来のように蒸気タービンの容量が大き
くなると、ロータ材の性状の制約上の面から、高圧側と
低圧側の２車室に分けられて製造され、それぞれのロー
タ材としては、たとえば、第１表に示すように、高圧側
の車室のロータ材には、高温強度（例えば、クリープ破
断強さ）の優れた化学組成を有する材料を使用し、低圧
側の車室のロータ材には、常温強度（例えば、耐力）や
じん性（例えば、■シャルピー衝撃値）の優れた化学組
成を有する材料を使用している。

さらに大容量の蒸気タービンでは、高圧、中圧及び低圧
の３車室に分けて製造され、中圧側の車室のロータ材に
は、中程度の温度（概ね４８０℃まで）で優れた高温強
度と常温附近の温度で優れたしん性を有する化学組成の
材料が用いられる・。

しかし、上記のように従来のロータ材を用いて蒸気ター
ビンを２車室又は３車室に分けて製作すると、蒸気ター
ビンのコスト、高を招き、経済的に極めて不利である。

特に、５０〜１２０ＭＹ　クラスの中小型の自家発電用
蒸気タービン用ロータ材については、小型化、機構の簡
略化、立地面積の縮小などの見地から、高圧側から低圧
側までを同一の材質を用いることが考えられておシ、そ
れらのロータ材の化学組成としては、第２表に示したよ
うなものがある。しかし、これらのロータ材も、近年の
蒸気タービンの高温化（従来、自家発電用蒸気タービン
の使用蒸気温度は高々５００℃）や大容量化（従来、自
家発電用蒸気タービンの容量は高々ｙ　ｓ　ＭＹ　）　
には、その性状は不十分であった。

（本発明の目的及び知見） そこで、本発明者等は、高温及び低温でも強度を有し、
且つ低温でも優れたしん性を有する化学組成の高低圧一
体製蒸気タービン用ロータ材を開発すべく鋭意研究を重
ねた。その結果、先に高低圧一体型蒸気タービン用ロー
タ材として、２ｙｉＣｒＭｏｖ鋼を提案した。（日本特
許第９８５、８２４号）又、この２　！ＡＣ！　ｒＭ　
ＯＶ鋼にＭ’ｂＩ　を添加して、ガスタービンやジェッ
トエンジンの高温回転円板用低合金鋼も提案した。（特
公昭５８−１１５０４号）これ等の高低圧一体型低合金
の化学組成について、前記第２表に併せて示す。

本発明者等は、更にこの２３ＡＯｒＭｏＶ鋼にＮｂを添
加した低合金鋼を、高低圧一体型蒸気タービン用ロータ
材にも使用でき得るかを検討したところ、化学組成を若
干改良することによシ、優れたロータ材として使用でき
ることが判明した。

（本発明の構成） すなわち、本発明は、重量比で、［１，１５乃至ｃＬ５
５％の炭素、ｃＬ１５％以下のけい素、１．２−以下の
マンガン、Ｑ、１乃至１．５チのニッケル、１．８乃至
２．８チのクロム、Ｑ、８乃至１．６％のモリブデン、
ｃＬｌ乃至０．３５　％のバナジウム、ｏ。

０１乃至α１５チのニオブ、残部が鉄び不可避的不純物
元素からなることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービ
ンロータ用低合金鋼に関する。

上記２件の特許に較べて、本発明の低合金鋼では、Ｃ！
、　Ｎｌ、　Ｏｒ、　Ｍｏ、　Ｖ　の各元素の範囲が若
干大きくなっているが、これは、近年、自家発電用蒸気
タービンの発電容量が大きくなシ（従来、高々７５　Ｍ
Ｙ　であったものが、近年１２０ｎｖｒ）、そのためロ
ータ材も大型となり、合金元素の偏析によるばらつき、
あるいはロータ材も大型化に伴ない焼入性向上を図る必
要が生じ、焼入性向上のだめの合金元素も多く必要にな
ったためである。

本発明のロータ材は、従来の高低圧一体型蒸気タービン
用ロータ材よシも高温強度がすぐれ、クリープ破断試験
においても切欠強化（平滑クリープ破断時間が切欠クリ
ープ破断時間よシ短い）を示し、また、常温においても
優れた強度（耐力）とじん性を有する低合金鋼で、次の
化学組成（重量百分率）を有するものである。

炭　素（０）：０．１５〜０．５５％ けい素（日量）：０．１５チ以下 マンガン（Ｍｎ）　：　１．２チ以下 ニツケル（Ｎｌ）　：　Ｃ１，１〜１．５チクロム（Ｏ
ｒ）　：　１．８〜２．８　ｔＩｂモリブデン　（Ｍｏ
）：　０．８〜１．６チバナジウＡ（Ｖ）：Ｑ、１〜（
１，５５％ニオブ（Ｎｂ）　：　ｏ、　ｏ　１〜０．１
５％鉄　（Ｆθ）：残部 その他、通常の製鋼では避けられない不純物元素（例え
ば、Ｐ、　１９．０．５％までのＯｕ　など）からなる
低合金鋼で、９００〜１０００℃の温度から焼入れ、５
５０〜７５０℃の温度で焼もどし処理を行なった高低圧
一体型蒸気タービン用ロータ材である。

有量について、上記のように限定した理由を下記に記す
。

炭　素（Ｏ）：Ｃは焼入性を増大させ、耐力やじん性を
確保するためには必要不可 欠な元素であシ、本発明のロータ 材に必要な耐力やじん性を発現さ せるためには、０．１５％以上必要 であるが、あま）多量に添加する と、かえってじん性を害し、又加 工性・が悪くなるので、その含有量 をα１５〜α５５％とした。

けい素（ｓＱ　：　ｓｔ　は溶鋼の脱酸剤として有効な
元素であるが、多く添加すると脱 酸による生成物であるｓ　ｉ　Ｏ２が鋼中に残存し、鋼
の清浄度を害し、じ ん性を低下させ、また、クリープ 破断伸び（延性）を低下させ、更 に、高温使用中において、焼もど し脆性を助長するので、その含有 量を０．１５％以下とした。

マンガン（Ｍｎ）　：　Ｍｎ　は溶鋼の脱酸、脱硫剤と
して有効であ夛、また、焼入性を増大 させて強度を高めるのに有効な元 素である二しかし、あまり多く一添 加すると、じん性及び延性を害す るので、その含有量を最大１．２％ とした。

ニッケル（Ｎｌ）　：　Ｍｌ　は鋼の焼入性を増大させ
、室温における強度及びじん性を高め るのに有効な元素で、特にじん性 向上に有効である。しかし、Ｎ１ をあまシ多く添加すると、高温強 度（クリープ強さ、クリープ破断 強さ）を害し、また、焼もどし脆 ・　性を助長するので、その含有量を １１〜１．５チとした。

クロム（Ｏｒ）　：　Ｏｒ　は通常のロータ用低合金鋼
の添加元素として最も重要な元素で ある。ｃｒ　を鋼に添加すると、耐 食・耐酸化性を改善し、焼入性を 増大させて、室温における引張性 質を向上させる。更に、Ｏｒ　はク リープ強さやクリープ破断強さな ど高温強度の改善にも有効な元素 で、その効果は、含有量が１〜２ 一程度で最大となシ、それ以上に 添加しても、その効果がゆるやか になる。更には、Ｃｒ　は比較的高 価な元素であシ、あまシ多く添加 するとコスト高と々シ、また、上 述のように焼入性（ベイナイト焼 人件）を向上させるので、ロータ 材の質量効果を考慮して、その含 有量を１、Ｂ−２，８％としだ。因み に、従来、ロータ材としては、Ｃｒ 量は１チ程度が最適といわれて来 たが、ロータ材の大型化の場合、 焼入性を考慮するとＯｒ　量は若干 条目の前記含有量が適当である。

モリブデン（Ｍｏ）　：　Ｍｏは、Ｏｒと同様に通常の
ロータ用低合金鋼の添加元素とし・〔重要 な元素である。ＭＯを鋼に添加す ると、焼入性を増大し、また、焼 もどし時の焼もどし軟化抵抗を大 きくして、常温の強度（引張強さ。

耐力）の増大に有効である。また、 ＭＯは固溶体強化元素として、又、 炭化物を生成して析出硬化作用元 素として、クリープ強さやクリ− プ破断強さなどの高温強度の向上 に非常に有効な元素である。更に、 Ｍｏ　はα８チ程度以上添加すると、 鋼の焼もどし脆性を阻止する元素 として非常に有効々元素である。

しかし、あまシ多く添加すると、 その効果は飽和し、かえってじん 性を害する。また、ＭＯは高価な 元素であシ、あまシ多く添加する と、コスト高にもなる。そこで、 ロータ材が大型化した場合の質量 効果（焼入性）を考慮して、Ｍ。

量は０．８〜１．６Ｌ％とした。

バナジウム（Ｖ）：Ｖは、Ｍｏ　と同様に常温における
強度（引張強さ、耐力）を向上に 有効な元素であシ、また、固溶体 強化元素として、又、炭化物を生 成して析出硬化作用元素として、 クリープ強さやクリープ破断強さ など高温強度を増加させる元素と して重要な元素である。更に、■ はある程度の添加範囲（Ｏ，ＯＳ〜 ０．３５％）の添加量であれば、結 晶粒を微細化させて、じん性向上 にも有効である。

しかし、あまりに多量に添加する と、じん性を害し、また、■も高 価な元素であり、コスト高となる ので、その含有量は０．１〜０．５５ チとした。

ニオブ（Ｎ′ｂ）：Ｎｂ　は、■と同様に引張強さや耐
力などの常温強度、並びにクリ− プ強さやクリープ破断強さなどの 高温強度の増大に有効な元素であ ると同時に結晶粒を微細化させ、 じん性向上に非常に有効な元素で あるが、０．０１チ未満では、その 効果は十分でない。本発明のロー タ材では、Ｎｂ　添加は強度の上昇 におまシ期待せず、結晶粒微細化 によるしん性向上を期待しておシ、 あｔ、ｂ多く添加すると、多量のＩＪｔ＋炭化物を形成
し、かえってじん性 を害し、有効で々い。そこで、Ｎｂ の含有量は、００１〜ＣＬ１５チと ・　した。なお、自然界においては、 Ｎｂ　には約３０％のＴａ　が含有さ れておシ、通常、Ｉｔ）　添加は、Ｎ℃十Ｔａ添加を意
味している。

その他：　Ｐ　、　Ｂ　、　Ｏｕ　などは不純物元素と
して、製鋼の原材料よシ混入され避けられな いものであるが、これらはできるだけ 低い方が望ましい。しかし、原材料を 厳選するとコスト高となるので、Ｐは α０２０％以下、５ｉｄ０．０２０％以下、Ｏｕ　は０
．５０　％以下、その他の不純物元素として、Ａｔ、　
ａｎ、　Ｓｂ、　Ｐｂ、　Ａｓ　などがあシ、これらは
いずれも低くする ことが望ましい。

以下に１本発明の実施例を示す。

実施例１ 第３表に示す化学組成の低合金鋼の６５　ｔｏｎ鋼塊（
最大径２０６４φ咽）を真空カーボン脱酸法により溶製
した。この鋼塊から、据込１／２．８Ｕ、鍛伸１７Ｂの
鍛練を行なって、約５　ｔｏｎの大型鍛造材（最大径１
１００φｍ）を製作した。

この鍛造材を供試材Ａとして、高低圧一体型ロータ材と
して最大径１６５０φ箇の水焼入時の中心部及び外周部
の焼入冷却速度をシミュレートした熱処理を行なった。

すなわち、９５０℃で１５時間加熱して完全にオーステ
ナイト化後、中心部の焼入冷却速度（９３０℃〜５００
℃の平均）：９８℃／ｈｒ。

外周部の焼入冷却速度（９３０℃〜５００℃の平均）：
１５８０℃／　ｈｒ。

の２通りの冷却速度で焼入れした後、両冷却速度の供試
材Ａを ６５０℃Ｘ　４４　ｈｒ→炉冷（冷却速度：３０℃／ｈ
ｒ　）の焼もどしを行なった。

供試材Ａの引張試験及び衝撃試験の結果を第４表に示し
、クリープ破断試験の結果を第５表に示す。

まだ、クリープ破断強さをラーソンφミラー・パラメー
タで整理して、金属材料技術研究所のクリープ・データ
・シート随９Ａ（従来の高圧ロータ材（！ｒＭＯＶ鋼の
データ、　ＡＳＴＭ−Ａ４７０−８　）と比較して第１
図に示す。すなわち、第１図は、ラーメン・ミラー・パ
ラメータＴ（２［１＋ｔｏ９）ｘ１０パ（ここで、Ｔは
クリープ破断温度′（’Ｋ）。

ｔはクリープ破断時間（ｈｒ）　’）と応力（ｋｇ　／
　ｗｌ　）の関係を示すもので、○は実施例１の中心部
、・は実施例１の外周部ｉ示す。

これから明らかなように、耐力６６〜７１ｋｇ／−で比
較的常温強度がすぐれ（一般ロータ材の、耐カニ６０〜
６５ｋｇ／−）、しか屯、じん性が非常にすぐれており
（一般ロータ材の中心部の５０　％　ＦＡＴＴ　：　８
０〜１２０℃）、更に、クリープ破断強さは、従来の高
圧ロータ材（Ｃ！ｒＭ。

Ｖ鋼）とほぼ同じであシ、高低圧一体ロータ材として、
好ましい性状を有していることが判明した。

なお。クリープ破断試験では、第２図に示す平滑−切欠
組合せ試験片を用いておシ、いずれの試験条件の下でも
、平滑部で破断しておシ、切欠強化で良好である。

第５表　供試材Ａ（実施例１）の化学組成（重量％）第
４表　供試材Ａ（実施例１）の常温引張試験及び衝撃試
験の結果性＊　■シャルピー衝撃試験後の試験片破面の
延性破面率が５０係になる温度 第５表供試材Ａ（実施例１）のクリープ破断試験の結果
性）いずれの試験条件の下でも、切欠強化実施例２ 第６表に示す化学組成の低合金鋼の１　ｔｏｎ鋼塊（最
大径３００φ■）をエレクトロ・スラグ再溶解法によシ
溶製した。この鋼塊から、据入１／五ＯＨ，鍛伸５．Ｏ
８の鍛伸を行なって、約３００ゆの大型鍛造材（最大径
５００φＷ＋）を製作した。この鍛造材を供試材Ｂとし
て、高低圧一体ロータ材として最大径１６５０φ調の水
焼入時の中心部及び外周部の焼入冷却速度をシミュレー
トシた熱処理を行なった。すカわち、９４０℃で１５時
間加熱して完全にオーステナイト化後、 中心部の焼入冷却速度（９４０〜３００℃の平均）　：
　９８ｔｌ：／ｈｒ外周部の焼入冷却速度（９４１］Ｕ
〜５００’ＣＤ平均）　：　１５８０いｒの２通シの冷
却速度で焼入した後、両冷却速度の供試材Ｂを ６４０℃×４５ｈ　→炉冷（冷却速度＝３０℃／ｈｒ）
の焼もどしを行なった。

供試材Ｂの引張試験及び衝撃試験の結果を第７表に示し
、クリープ破断試験の結果を第８表に示す。

また、り・リープ破断強さをラーソン・ミラー・パラメ
ータで整理して、金属材料技術研究所のクリープ・デー
タ・シー）ｍ９Ａ（従来の高圧ロータ材ＯｒＭｏＶ鋼の
データ、　ＡＳＴＭ−Ａ４７０−８　）と比較して第１
図に示す。

第１図において、Δは実施例２の中心部、ムは実施例２
の外周部を示す。

これから明らかなように、耐カフ４〜７６に９／−でか
なシ常温強度（一般のロータ材の耐力６０〜６８　ｋｇ
　／　ｔｔｌ’　）がすぐれ、しかも、じん性が非常に
すぐれておシ（一般のロータ材の中心部の５０％Ｆ’Ａ
ＴＴ　：　８０〜１２０℃）、更に、クリープ破断強さ
は、従来の高圧ロータ材（ｃｒｎｏｖ鋼）とほぼ同じで
あシ、高低圧一体型ロータ材として、非常に好ましい性
状を有していることが判明した。

なお、クリープ破断試験では、第２図に示す平滑−切欠
組合せ試験片を用いており、いずれの試験条件の下でも
、平滑部で破断しておシ、切欠強化で良好である。

第６表　供試材Ｂ（実施例２）の化学組成（重量％）第
８表供試材Ｂ（実施例２）の常温引張試験及び衝撃試験
の結果第８表供試材Ｂ（実施例２）のクリープ破断試験
の結果注）　いずれの試験条件の下でも切欠強化。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のロータ材のクリープ破断強さのラー
ソン・ミラー・パラメータと応力との関係を示す図であ
シ、第２図は、ラーンン・ミラー・パラメーター測定に
使用したクリープ破断試験片（平滑−切欠組合せ型）の
断面図を示す。 復代理人　内　１）　明 復代理人　萩　原　亮　− 第１、図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 重量比で、α１５乃至Ｑ、５５チの炭素、（Ｌ１５チ以
   下のけい素、１．２％以下のマンガン、０．１乃至１．
   ５チのニッケル、１．８乃至２．８％のクロム、０．８
   乃至１．６％のモリブデン、Ｑ、１乃至α３５チのババ
   ナジウム、α０１乃至０．１５　％のニオブ、残部が鉄
   び不可避的不純物元素からなることを特徴とする高低圧
   一体型蒸気タービンロータ用低合金鋼。