JPS6031898B2 - タ−ビンロ−タ材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高温で優れたクリープ強さを有すると共に、
低温においても優れた靭性を有するタービンロータ材に
関する。

近年、蒸気タービンは大容量化による熱効率の向上およ
び単位出力当りの建設費の低減を目的として、年々大型
化している。

このタービンの大容量化などに伴なし、タービンの使用
温度は上昇し、現在蒸気タービンの最高蒸気温度は５６
６℃となっており、高温で優れたクリープ強さが要求さ
れてきている。また前述したようにタービンの大容量化
に伴ない一方ではロータ径が増加するとともにロー外こ
埋め込まれる勤翼が長大化するため、タービンの起動時
にタービンロータ中心部での低温の鞠性も優れたものが
要求されている。ところで従来の蒸気タービンロー外よ
‐般に１％Ｃｒ−１％Ｍｏ−０．２５％Ｖ鋼と称せられ
るロータ材が使用されているが、高温のクリープ強さお
よび低温での靭性が不充分で蒸気タービンの大容量化に
は対処し得ない欠点を有している。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、高温で
優れたクリープ強さを有するとともに低温での鞠性が優
れたタービンロータ材を提供することを目的とするもの
である。すなわち、本発明に係るタービンロータ材は真
空カーボン脱酸後の化学組成が重量パーセントでクロム
１０〜１３％、マンガン０．３〜１．５％、モリブデン
０．５〜１．５％、シリコン０．２％以下、ニッケル０
．１〜１．０％、タンタル０．０３〜１．０％、バナジ
ウム０．１５〜０．５％、炭素０．１〜０．３％、窒素
０．０１〜０．１％および残部鉄より成りこの金属組織
中には実質的にフェライトを生じないようにした合金で
ある。

この発明に係るタービンロータ材は前述した真空カーボ
ン脱酸と、各合金元素を特定の組織範囲に選択したこと
によってのみ、優れた高温でのクリープ強さと、低温で
の陵れた靭性を発揮する。その理由としては合金の素地
中にＴａ（ＣＮ）が微細に分散析出し高温でのクリープ
変形抵抗を維持するとともに、この微細に分散析出した
Ｔａ（ＣＮ）が鍛造および熱処理時に合金の結晶粒の粗
大化を防止し、かつ真空カーボン脱酸により合金中に脱
酸剤として添加するシリコン量も減少されて、合金中の
シリカ系酸化物量が低減され、低温での鞠性も向上され
るためである。なお、この発明に係るタービンロータ材
においては次式クロム当量＝４０×Ｃ％−３０×Ｎ％−
２×Ｍｎ％−４ｘＮｉ％＋Ｃｒ％＋４ｘＭｏ％＋６ｘＳ
ｉ％＋１１×Ｖ％＋２．５×Ｔａ％においてクロム当量
を１１以下とすることが望ましい。

その理由としては本発明に係るタービンロータ材のごと
き大型鋼塊においてはクロム当量が１１を越えると局部
的な合金成分のばらつきからフェライト組織が生成し、
クリープ強さの低下をきたす傾向が認められるからであ
る。この発明に係るタービンロータ材は次のようにして
製造しうる。

先ず所要量の元素を配合し溶解後真空カーボン脱酸を行
なったのち鋳造し、次いで１１００〜１３００００に加
熱後ざららに鍛造してから、１０００〜１１５０ご０で
均一に加熱する。この加熱は上記１０００〜１１５００
０の温度で完全にオーステナィト組織に変態するに充分
な時間行なう。かくして合金組織を完全にオーステナィ
ト組織に変態させたのち、油中あるいは水鰭霧などで約
１０ぴ０まで急袷する。この急冷により合金はｙ−Ｑ変
態により実質的に均一なマルテンサィト組織となる。し
かる後、このまま１０ぴ○付近に数１畑時間維持し均質
化する。さらに、５５０００〜６５０ｑｏで数時間から
数１時間維持して焼戻しを行なうと合金の組織は最終的
に焼戻しマルテンサィト組織となり、高温での優れたク
リープ強さと、低温での優れた鞠性を有するタービンロ
ータ材を得ることが出来る。

ここで本発明に係るタービンロータ材の合金組成の限定
理由について説明する。

１ クロム １０〜１３％：クロムは鉄中に圃落し合金
の強度を向上させるとともに耐酸化性、耐食性を向上さ
せるに必要な元素で、１％未満では充分な強度や耐酸化
性、耐食性を得ることが出来ず、また１３％を越えると
好ましくないフェライト組織を生成し高温のクリープ強
さを低下させる。

２ マンガン ０．３〜１．５％：マンガンは溶解時の
脱酸、脱硫剤として必要な元素であり、また合金のオー
ステナィト相の範囲を拡げる元素で、少なくとも０．３
％は必要であり、１．５％を越えると高温のクリープ強
さを低下させる。

３ モリブデン ０．５〜１．５％：モリブデンは合金
中に固落し園溶体強化により低温および高温での強さを
向上させるとともに焼戻し脆性を防ぐのに必要な元素で
０．５％未満ではその効果が少なく、また１．５％を越
えると好ましくないフェライト相を生じ低温および高温
強度を低下させる。

４ シリコン ０．２％以下：シリコンはマンガンと同
様に溶解時の脱酸剤として必要な元素であるが多量の含
有は低温での級性を害するためなるべく少ない方が望ま
しく０．２％までとする。

なお一般に本発明に係る組成系においてシリコンは０．
０１％程度不可避的に存在する。５ ニッケル ０．１
〜１．０％：ニッケルはこの発明に係るタービンロータ
材を高温でオーステナイト化組織とするに必要な元素で
、ニッケルが存在しない場合は好ましくないフェライト
相が生成し易くなるので、これを防止するためには少な
くとも０．１％は必要であり、１．０％を越えると高温
での強さが低下する。

６ タンタル ０．０３〜１．０％：タンタルは合金中
の炭素および窒素と化合してＴａ（ＣＮ）を生成し合金
の素地中に微細に析出分散し高温のクリープ強さを向上
させるとともに、鍛造時および熱処理時の結晶粒の粗大
化を防止し低温での轍性を向上させるに必要な元素で、
少なくとも０．０３％は必要である。

しかし一方ではフェライト相の生成を促進させ高温のク
リープ強さを低下させるとともに過量の炭窒化物を生成
して靭性の低下をきたすので１．０％までとした。７
バナジウム ０．１５〜０．５：バナジウムは高温のク
リープ強さを向上させるために必要な元素で０．１５％
未満ではその効果が充分でなく、また０．５％を越える
とフェライトが生成して高温のクリープ強さが低下する
。

８ 炭素 ０．１〜０．３％：炭素は高温で鉄中に固溶
してオーステナィト組織をつくり、急袷によりｙ−Ｑ変
態を起させ低温および高温での強さを向上させるととも
にタンタルやクロムなどの元素と炭化物を形成して高温
のクリープ強さを向上させるに必要なもので、０．１％
未満ではその効果が少なく、また０．３％を越えると低
温での鋤性が低下する。

９ 窒素 ０．０１〜０．１％：窒素はオーステナィト
生成元素で焼入時のオーステナィト相を安定にし好まし
くないフェライト相の生成を抑制するとともに、また他
の元素と化合して窒化物を形成して高温のクリープ強さ
を向上させるに必要な元素で、０．０１％未満ではその
効果が充分でなく、また０．１％を越えると巣やミクロ
ポァの発生を増加させるのでこの範囲とする。

次に本発明について実施例をもって詳細に説明する。

高周波真空誘導溶解炉を用いて表−１に示す化学組成の
合金試料を溶解、鋳造した。なお真空カーボン脱酸は鋳
造前に実施した。次に鋳造した各合金試料のィンゴツト
を１２００ｑｏに加熱し鍛造したのち、調質熱処理を施
こした。

表−２に熱処理条件を示す。なお表中のＡおよびＣはロ
ータ材の表層部をシミユレートしたものでありまたＢ，
Ｄは同じく中心部をシミュレートしたものである。次に
これら準備した各合金試料から引張試験片、衝撃試験片
およびクリープ破断試験片を切り出しそれぞれ試験を行
なった。

これらの試験結果を表−３に示す。なお表−３の中に記
した５０％ＦＡＴＴとは衝撃試験した後の試片破面にお
いて 、鰹性破面が５０％を占める温度のことでこの温
度が低いほど靭性が優れておりタービンロータ材として
好ましいと言える。表−３より明らかなように、本発明
に係るタービンロータ材は従来の蒸気タービンに使用さ
れているＩＣｒ−ＩＭｏ−０．２５Ｖロータ材（比較例
２）に比べクリープ強さおよび靭性ははるかに優れてい
るとともに、比較例１のものに比べても靭性ははるかに
優れており、タービンロー夕材として工業上すこぶる有
用であると言える。

表一１表−２ 表 − ３ ※ ラルソンミラーパラメータで旨竹算したマスク
被断曲線上より求めた。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 真空カーボン脱酸した後の化学組成が重量パーセン
   トでクロム１０〜１３％、マンガン０．３〜１．５％、
   モリブデン０．５〜１．５％、シリコン０．２％以下、
   ニツケル０．１〜１．０％、タンタル０．０３〜１．０
   ％、バナジウム０．１５〜０．５％、炭素０．１〜０．
   ３％、窒素０．０１〜０．１％および残部鉄より成るタ
   ービンロータ材。