JPS6092456A - 鉄基超合金 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、靭性・高温長時間使用時の組織の安定性に優
れ、かつ負荷変動を伴った起動停止運転に好適なオース
テナイト系耐熱鋼で、特に温度６００〜６５０Ｃで使用
される発電プラント用回転機器材料に関する。

ｒ　／ｌロロΔｚＡｂ　副、） 蒸気タービンは、従来５３８〜５６６Ｃの主蒸気を使用
し、Ｏｒ−Ｍｏ−Ｖ及び１２Ｃ「鋼によシロータ並びに
動呉等の回転機器が形成されている。しかし、石油資源
の減少、これに原因した心力の安定供給に対する要請か
ら主蒸気温度が６０００以上の高温高圧発電プラントあ
るいは大谷量発゛亀プラントさらにエネルギの多様化を
目的とした膨張タービン等が検討されている。こうした
発電プラントはいずれも運転条件が過酷となシ、たとえ
ば使用温度の上昇に対して現用材であるＣｒ−ＭＯ−Ｖ
、１２Ｃｒｍ等フェライト系鋼は５５０Ｃ以上の温度で
粒界上υが顕著となりクリープ破断強度が極端に低下す
る欠点が指摘されている。

６００Ｃ以上の温度域で現在使用されている材料として
は、Ｆｅ基にＣｒ、　Ｎｉを添加し九オーステナイト系
耐熱鋼が一般的である。その結果、６００Ｃ以上の温度
条件で使用される回転機器材料としては高温強度の点か
ら高Ｎｉオーステナイト耐熱鋼が有望と考えられる。

一方、前記の材料はこれまでジェットエンジン等比較的
設計寿命の短い部品に使用されていたため長時間使用時
の組織の安定性に対する検討が十分されていない。さら
に、蒸気タービンはその電力供給の位置付けから起動停
止運転が実施され言わゆる熱及び応力サイ′クルを受け
る一方、フェライト鋼に比べ熱伝導率・熱膨張係数が劣
る欠点がある。

上記の関係から、長時間側での組織の安定性に優れ、か
つ熱疲労（低サイクル疲労）寿命の点で有利な蒸気ター
ビン用回転機器材料を提案する事が重要となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、引張強さ・クリープ破断強度等高温強
度に加え高温長時間使用時の組織の安定性延性並びに熱
疲労（高温低サイクル疲労）寿命に優れたオーステナイ
ト系耐熱鋼、特に高効率発電プラント用回転機器材料を
提案することにある。

〔発明の概渋〕

本発明は、重量でＣＯ，１５−以下、Ｍｎ２チ以下、Ｓ
＊ｔ、Ｓ＊以下、Ｃｒ１０〜２０チ、Ｎｉ２Ｏ〜３０％
、ｌ１ｖｉ　ｏ　Ｏ，５〜３％、Ｔｉ１．５〜３％、Ａ
ｔＯ，１〜０．５チ、８０．００２〜０．０１俤、Ｖｏ
、４チ以下を含有しＳあるいはＰを０．００４％以下、
０．００７チ以下に制限することを特徴とした残部がｐ
ｅからなるオーステナイト系耐熱鋼である。

本発明では、低合金鋼では権化防止に有効とされるＴｉ
Ｓがオーステナイト系耐熱鋼ではむしろ粒界に粗大析出
物として生成した場合、長時間側での靭性の低下を助長
することを明らかにした。

またＰは粒界偏析によシ材料の延性に悪影響を及ぼし、
その結果高温低サイクル疲労寿命を減少させる一方ＭＯ
はこれを改善することを明らかにした。

以上の現象に基づき８．Ｐ、ＭＯをコントロールするこ
とで長時間側での組織の安定性並びに熱疲労寿命に富ん
だオーステナイト系材料を提案する。

以下に各成分の限定理由を示す。

Ｃは、炭化物を形成し高温強度、クリープ破断強度を向
上させるため重要である。しかし０．１５チを越えて添
加すると靭性、溶接性を著しく低下させるため、その上
限１０．１５％とする。

Ｓｉは、溶解製造の脱酸剤として重要な成分である。し
かしＣ同様多量に添加すると靭性及び溶接性を低めるた
め上限を１．５チとする。

Ｍｎは、Ｓｉと同様に溶解製造の脱酸剤として、更に熱
間加工１生を高めるものとして重要な成分である。しか
し、２チを越えると耐食性、耐酸化性を低めるため上限
を２チとする。

Ｎｎは、オーステナイト組織を形成する重要な成分であ
る。しかし２０１以下ではその効果が十分でなく不安定
なオーステナイト組織となる。一方、３０チを越えると
熱間加工性を低める。そこで２０〜３０俤の範囲で添加
する必要がある。

Ｃｒは、高温強度、耐食性、耐酸化性を向上させるため
に重要な添加元素でありこの効′果を得るため１０チ以
上を添加すべきである。しかし２０チを越えると溶接性
を低める事、フェライト相を形成し高温長時間側での脆
化を加速するためそのト眼を２０４と＋る− ＭＯはオーステナイト地を強化すると共に炭化物を形成
しクリープ破断強度を向上させる。０，５−以下ではこ
の効果が期待できない事、また３、０チ以上添加すると
融点の低い酸化物（Ｍｏｓｓ）を形成し耐酸化性が非常
に悪くなるため０．５〜３．０１が良好となる。さらに
、添加量１．５〜２．０−の範−囲で著しい破断絞りの
向上が見られるため特にこの範囲が良好となる。

Ｔｉは脱酸剤として作用する以外に両温強度・延性の向
上に有効なγ′相（Ｎｉｓ　（Ａ４　Ｔｉ　）　）を析
出させるために重要な元素である。１．５　＊以下では
その効果が十分期待できない事、また３チ以上では時効
硬化性のないη相（ＮｉｓＴｉ）を析出するため１．５
〜３．０チ添加する。

ｋｔはＴｉと結合し金属間化合物γ′相を析出する。し
かし、多量に添加すると高温強度を低下させるためその
上限を０．５チとする。

Ｂは結晶粒界を著しく強化し、かつ高温延性を向上する
ために有効である。しかし多量に含有すると加工性を低
下させるためその上限をｏ、ｏｉ＊とする。

ＶはＶＳ、ＶＮ、ＶＣ等の析出物を形成する。

このうちＶＣは時効硬化性があるため引張強さ並びにク
リープ破断強度を向上するために有効であることが知ら
れている。しかし、Ｖ量が増加すると耐酸化性に悪影響
を及ぼす。そこでＶ量は０．４チ以下とすべきである。

Ｓは０．０５％以下の比較的低濃度領域では靭性（衝撃
値）に悪影響を及ぼす。これは破断が硫化物系介在物と
マトリックスとの境界で曖先的に起こるためで、介在物
の列が長いほど、その数が多いほど靭性は低下する。一
方、Ｔｉが存在するとＳはＮ＞Ｓ＞Ｃの順で親和力が強
く、ＴｉＮ・Ｔｉｅ−Ｔｉｃ等の化合物が相互に固溶体
を作るかＣ，Ｎ、８が相互に関連した複雑な化合物を形
成する。従来の知見では、ＴｉＳは脆化防止に有効とさ
れてきた。しかし、今回Ｓが増加すると前記の化合物が
粒界に析出し著しく脆化を助長させるとの結果を得た。

したがって、Ｓは低濃度に減少させるべきであり現在の
精錬技術の制約上０．００４％以下とすべきである。

ＰＦｉＡｓ、ａｎ、Ｓｂ等粒界偏析元素の中でも最も問
題となる元素である。

Ｐが粒界に偏析するとせん断破壊（延性破壊）による変
形が発生せず著しい延性の低下が発生する。ＭａｎＳＯ
ｎは低サイクル疲労寿命と引張特性との関係を整理しユ
ニバーサルスロープ法を提案している（式（１）参照）
。

Ｅ；縦弾性係数 σＢ；引張強さ εｆ；真破断延性（ム１００／（１００−９）） ψ；破破断ク シ（１）によればあるひずみ量Δεに対する疲労寿命Ｎ
ｔは真破断延性と関連し延性が高いす１ど長寿命となる
。したがってＰは粒界偏析によシ延性を低下させ、その
結果低サイクル疲労寿命（熱疲労）にも悪影響を及ぼす
。このため、精錬技術を考濾しＰは０．００７チ以下と
する。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明に依る蒸気タービンの実施例の断面図
である。図において１２で示される部位が本発明のロー
タである。このロータに動翼１゜が複数植設される。動
洲１０間には複数の靜呉１４が設置され、さらにロータ
１２は静翼を固定する内部ケーシング１６を貫通してい
る。そして、内部ケーシング１６は、複数の凸部１８が
形成されており、これら複数の凸部１８が内部ケーシン
グを内設している外部ケーシング２ｏの凹部に嵌入され
ボルト等によシ固定される。また外部ケーシング２０は
、貫通孔部２２においてロータ１２の両端を回転自在に
支持しておシ、図において左下部に流出口２４が形成さ
れ、上部には開口２６が形成されている。

主蒸気は、矢印に示す如く主蒸気管３ｏ内をηを下シ、
ノスルホックス２８を経て内部ケーシング１６内に流入
する。その後、動貝１ｏをロータ１２と一体的に回転動
作さぜ内部ケー・ソソ／ｙ１４と外部ケーシング２ｏと
の間の空間部に入シ、流出口２４から流出する。

いま、主蒸気の温度を６５０ｃ、圧力を３５ＱＫ９ｆ／
♂とすると、前記蒸気タービンは動翼材表面において温
度６５０〜５５４．３Ｃ，圧力３５０〜１９９に９ｆ／
鋸”の運転条件となる。

表　２ 表１は供試材の化学成分を示す。本鋼橿のうち１〜６が
開発材、７〜ｌＯが比較材である。いずれも９８０Ｃで
１〜３時間加熱後水冷の溶体化処理後、７２０Ｃで１６
時間加熱し空冷する時効処理を施しだ。その組織はオー
ステナイト基地にｒ′相が析出したものである。表２は
開発材の６５０Ｃ，１０’時間クリープ破断強度を示す
。いずれも強度は尚くロータ材としての許容値≧ｌ　ｌ
　Ｋ９　ｆ／龍２を満たす。

第２図は吸収エネルギーとＳ量との関係を示す。

この結果によれば、吸収エネルギーはＳｍが０．００１
以上となると著しい低下傾向を示しＳが靭性の低下を助
長することがわかる。これはＭｎＳ系介在物が粒界に優
先的に析出し粒界強度を低下させるだめである。

第３図は、比較材９を６５０Ｃで１５００時間加熱した
脆化材のＳＥＭ像（図式）とオージェ分析結果を示す。

本比較材はｓ−ｔが０．０１０％と高く、かつ著しい脆
化を呈した材料である。その結果、粒界には第３図に示
す析出物が形成され特にＸで示される析出相の発生が著
しい。この析出相は、ＴｉＣと’ｒ’　ｉ　ｓが複雑に
化合したもので、従来低合金鋼に対し考えられていたＴ
ｉＳが脆化の防止に役立つとの知見が本鋼梱にはあては
まらず、むしろ助長する結果となっている。

表　３ 表３は５ｌｔｔと吸収エネルギーの関係を示す。表よシ
Ｓ量の増加とともに、加熱前及び加熱後ともに吸収エネ
ルギーが減少していることがわかる。

荷に、Ｓ量が０．０１０−の比較材９は加熱後の吸収エ
ネルギーが０．７助ｆｍであり著しいｊ宛化を示す。

すなわち、Ｓ量を制限することは、層性並びに脆化防止
に効果的である。

第４図は破断延性とＰとの関係を示す。図示の通、ｂｐ
、ｔが増加すると破断伸び、絞シとも低下する。また、
現用ロータ材１２Ｃｒ鋼の破断延性３５チ全例に取れば
、本提案のＰ≦０．００７チでこの規格を満足し提案外
で下まわることがわかる。

第５図は破断延性とＭｏ量との関係を示す。この結果に
よれば、破断延性はＭＯの増加とともに向上し、特に破
断絞シは１．５≦ＭＯ≦２．０の範囲で高い値を示す。

第６図は低Ｐ材（開発材６　ｉ　０．００３チ）と高Ｐ
材（比較材１０　；　０．０２０チ）の６５０Ｃ低サイ
クル疲労寿命を示す。図よシいずれのひずみ範囲Δ６に
おいても１ｌｋＰ材が大きな疲労寿命を示し、Ｐを低減
し延性を向上することが疲労寿命を改善することに有効
であることがわかる。

し発明の効果〕 本発明によれば、ＳあるいはＰをそれぞれ０．００４％
以下、０．００７％以下に制限することによシ高温強度
に加え高温長時間使用時の組織の安定性並びに熱疲労（
高温低サイクル疲労）寿命に優れた６００〜６５０Ｃ超
々臨界圧タービン用ロータ材料に好適なオーステナイト
系耐熱鋼を提案できることが明らかとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は超々臨界圧タービンの断面図、第２図は吸収エ
ネルギーと８の関係図、第３図は脆化材のオージェ分析
結果を示す図、第４図は破断延性とＰの関係図、第５図
は破断延性とＭｏの関係図、第６図は６５０Ｃ低サイク
ル疲労寿命を示す図である。 １０・・・動説、１２・・・ロータ、１４・・・静楓、
１６・・・内部ケーシング、２０・・・外部ケーシング
、２２・・・貫通孔部、２４・・・流出口、２６・・・
開口、２８・・・ノ裾２図 Ｓ量　（ｗｔ　、　％　） 電子エネ１し〜−（ｅｖ も４−図 Ｐ　量　（ｗｔ　γ。）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、爪敬比で０．１５　Ｓ以下のＣ，２％以下のＭｎ。 １．５％以下のＢｉ、１０〜２０％のＯｒ、２０〜３０
   ％のＮｉ、ｏ、５〜３チのＭＯｌｌ、５〜３％のＴｉ１
   ０．１〜９．５％の人ｔ、　０．００２〜０．０１−の
   Ｂｏ、４％以下のＶを含有し、さらに５ｆｔｒ０．００
   ４％以下に低減することを特徴とする鉄基超合金。 ２、特許請求の範囲第１項において、時にＭｏ量を１．
   ０〜２．０％としＰ量を０゜００７％以下に制限したこ
   とを特徴とする鉄基超合金。