JPS6054385B2

JPS6054385B2 - 耐熱鋼

Info

Publication number: JPS6054385B2
Application number: JP55019201A
Authority: JP
Inventors: 光雄河合; 寛二川口; 修渡辺; 義夫中山
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-02-20
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1985-11-29
Also published as: JPS56116858A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は高温て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耐熱鋼に係り、特
に蒸気タービンロータに適した耐熱鋼に関する。

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、また電力需要に応じて出力増減や超勤停止とい
う機能が要求される中間負荷的運用もなされている。

このタービンの大容量化などに伴ないタービンの使用温
度は上昇し、現在蒸気タービンの最高蒸気温度は５６６
℃となり、また軸受スパンの長い複流型中圧ロータや高
中圧一体型ロータの採用に伴ない高温で優れたクリープ
強さを有する耐熱鋼の開発が一層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タに埋め込まれる動
翼が長大化するのに加えてタービンの起動停止の頻繁化
により起動時にタービンロータ中心部での低温の靭性も
優れたものが要求されている。ところで従来の蒸気タ
ービン用の耐熱鋼としては一般に１％Ｃｒ−１％Ｍｏ−
Ｏ、２５％り鋼と称せられる材料や、１２％Ｃｒ系鋼で
構成されている。

添付図は中圧タービンの構成例を示す一部切欠断面図で
あるが、蒸気入口１の蒸気温度は５６６℃と高温化して
おり、且−）Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼あるいは１２％Ｃｒ系鋼
で構成されている従来のロータを使用した場合には、ロ
ータ軸受スパン３から４の間隔が長大化しているため、
動作時には高温強度の不足ｊからロータに曲がりが発生
する。このためロータ表層５を冷却しているのが現状で
あるがこれはタービン性能の低下およびタービンを複雑
化している。また高中圧一体型タービンにおいてもロー
タ軸受スパンが長くなるため高温強度のよりすぐれたロ
ータが必要とされる。さらに中間負荷的運用による起動
停止の頻繁化はタービンの起動時にロータ中心部６にか
かる応力を過酷化しつつあり、このために低温靭性にも
すぐれ、脆性破壊に対しより安全なロータが必要である
。

なお添付図において、２は蒸気出口、７は動翼、８は静
翼、９はケーシングをそれぞれ示す。

このように従来ロータでは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および中
間負荷的運用には対処し得え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靭性が優れ
た耐熱鋼を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明に係る耐熱鋼は化学組成が重量パーセ
ントでクロム１０〜１３％、マンガン０．３〜１．０％
、モリブデン０．５〜２．０％、シリコン０．２％以下
、ニッケル０．１〜１．５％、ニオブ０．０１〜０．５
％、バナジウム０．１〜０．５％、タングステン０．５
〜２．０％、炭素０．０５〜０．３％、窒素０．０１〜
０．１％および残部鉄及び付随的不純物より成りこの金
属組織は実質的にフェライト組織を含まず焼戻しマルテ
ンサイト組織であることを特徴とする耐熱鋼及び蒸気タ
ービンロータである。

この発明に係る耐熱鋼は前述した金属組織と、各合金元
素を特定の組成範囲に選択したことによ．つてのみ、優
れた高温でのクリープ強さと、低温での優れた靭性を発
揮する。

なお、この発明に係る蒸気タービンロータの素体材料の
化学組成においては次式クロム当量＝ー４０ＸＣ％−３
０×Ｎ％−２×Ｍｎ％−４×Ｎｉ％＋Ｃｒ％＋４×ＭＯ
％＋６×Ｓｉ％＋１１×Ｖ％＋５×Ｎｂ％＋１．５×Ｗ
％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蒸気タ−ビンーロータの
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。この発明に係る耐熱鋼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
なつたのち鋳造し、次いで１１００〜１３０（代）に加
熱後さらに鍛造しローター等の所定形状化してから、１
０００〜１１５ＣｆＣで均一に加熱する。この加熱は上
記１０００〜１１５００Ｃの温度で完全にオーステナイ
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イト組織に変態させたのち、油中
あるいは水噴霧などで約１０（代）まで急冷する。この
急冷により合金はγ一α″変態により実質的に均一なマ
ルテンサイト組織となる。しかる後、このまま１００℃
付近に数１０時間維持し均質化する。さらに、５５０℃
〜７００℃で数時間から数１叫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イト組織と
なり、高温での優れたクリープ強さと、低温での優れた
靭性を有する耐熱鋼を得ることが出来る。

ここで本発明に係る耐熱鋼を構成する材料の合金組成の
限定理由について説明する。

（１）クロム１０〜１３％；クロムは鉄中に固溶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、１０％未満では充分な強度や耐酸化性、耐食性
を得ることは出来す、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。

さらに実用上は１０〜１１．５％とする事が好ましい。
（２）マンガン０．３〜１．０；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
テナイト相の範囲を拡ける元素で、少なくとも０．３％
は必要であり、１．０％を越えると高温のクリープ強さ
を低下させる。

さらに実用上は０．４〜０．７％とする事が好ましい。
（３）モリブデン０．５〜２．０％；モリブデンは合金
中に固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２．５％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。

さらに実用上は０．８〜１．５％とする事が好ましい。
（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靭
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。

（５）ニッケル０．１〜１．５％；ニッケルはこの発明に係る耐熱鋼を
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に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、１．５％を越えると高温での
強さが低下する。

さらに実用上は０．４〜１．２％とする事が好ましい。
（６）ニオブ０．０１〜０．５％；ニオブは合金中の炭素および窒素
と化合してＮｂ（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
の靭性を向上させるに必要な元素で、少なくとも０．０
１％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０．５％までとした。さら
に実用上タービンロータの場合は０．０４〜０．１％、
タービンブレードの場合は０．０５〜０．４％とする事
が好ましい。（７）バナジウム０．１〜０．５％；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０．１昧満ではその効果
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。

さらに実用上は０．１８〜０．２５％とする事が好まし
い。（８）タングステン０．５〜２．０％；タングステンはモリブデンと同様に
固溶体強化により低温および高温での強度を向上させる
元素で０．５％未満ではその効果が顕著でなく、また２
．０％を越えると靭性を低下させるのでこの範囲とする
。

さらに実用上は０．７〜１．６％とする事が好ましい。
（９）炭素０．０５〜０．３％；炭素は高温で鉄中に固溶してオー
ステナイト組織をつくり、急冷によりγ−α″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ニオ
ブ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、０．０５％未満で
はその効果が小さく、また０．３％を越えると低温での
靭性が低下する。

さらに実用上は０．１１〜０．１７％とする事が好まし
い。ＡＯ窒素０．０１〜０．１％；窒素はオーステナイト生成元素で
焼入時のオーステナイ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
合して窒化物や炭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
ボアの発生を増加させるのでこの範囲とする。

さらに実用上は０．０４〜０．０８％とする事が好まし
い。次に本発明について実施例をもつて詳細に説明する
。高周波真空誘導溶解炉を用いて表−１に示す化学組成
のロータモデル素体を溶解、鋳造した。なお真空カーボ
ン脱酸は鋳造前に実施した。次に鋳造したロータ素体を
１２０ＣｆＣに加熱し鍛造しローター形状化したのち、
各試験素材を切り出し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
く中心部をシミユ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作製しそれぞれ試験を行なつた。

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
いて延性破面が５０％を占める温度のことてこの温度が
低いほど靭性が優れており蒸気タービンロータ等の耐熱
鋼として好ましいと言える。表−３より明らかなように
、本発明に係る耐熱鋼は従来の蒸気タービン等に使用さ
れている１Ｃｒ一１Ｍ０−０．２５■ロータ（比較例２
）及び比較例３，４に比ベクリープ破断強さおよび靭性
ははる”かに優れ、特に比較例１のものに比べても靭性
ははるかに優れており、優れた耐熱鋼であり、特に蒸気
タービンロータ、タービンブレード、ケーシング用締付
けボルトとして工業上すこふる有用であると言える。

【図面の簡単な説明】

添付図は本発明を説明するための火力蒸気タービン中圧
部の構成例を示す一部切欠断面図てある。１は中圧タービン蒸気入口、２は中圧タービン蒸気出口
、３および４はロータ軸受、５はロータ表層部、６はロ
ータ中心部、７は動翼、８は静翼、９はケーシング。

Claims

【特許請求の範囲】１化学組成が重量パーセントでクロム１０〜１３％、
マンガン０．３〜１．０％、モリブデン０．５〜２．０
％、シリコン０．２％以下、ニッケル０．１〜１．５％
、ニオブ０．０１〜０．５％、バナジウム０．１〜０．
５％、タングステン０．５〜２．０％、炭素０．０５〜
０．３％、窒素０．０１〜０．１％、残部鉄および付随
的不純物より成り、実質的に焼戻しマルテンサイト組織
であることを特徴とする耐熱鋼。２蒸気タービンロータである事を特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の耐熱鋼。