JPS61217554A - １２Ｃｒ耐熱鋼 - 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】 ［発明の技術分野１ この発明は、５５０から６００℃の範囲の高温で優れた
クリープ破断強さを示す１２Ｃｒ耐熱鋼に係り、特に蒸
気タービンの羽根やボルト等の部品に適した１２Ｃｒ耐
熱鋼に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 現在の蒸気タービンを駆動するのに使用されている蒸気
の最高湯度は５６６℃、圧力は最大で２４６　ｋｇ／ｃ
ａ＋２であるが、熱効率の改善を図るため使用する蒸気
の温度・圧力を引上げることが期持されている。このよ
うな蒸気条件はタービンを構成する部品の材料の高温強
度に依存するものであり、したがって蒸気条件の向上を
実現するためにより高い高温強度を有する材料の開発が
すすめられている。そのような開発は、ロータやケーシ
ングといった主要大形部品については言うまでもなく、
羽根やボルト等について６重要である。

蒸気タービンの羽根には＾速回転による遠心力が常に作
用しており、高温強度が不足していると羽根はクリープ
変形してロータから浮上がって、その先端が静止部と接
触するという事態に至ることがある。またケーシングを
密閉するのに使用されているボルトには、当初弾性力に
基く一定の締付圧力が付与されているが、ケーシングに
作用する蒸気圧力が常にボルトに作用しているため、ボ
ルトはクリープ変形しその締付圧力は徐々に低下してケ
ーシングの密閉を保てなくなり、蒸気漏れを生じたりク
リープ変形が蓄積された場合にはボルト自身が破断に至
ることがある。

このように、蒸気タービンの高温部に用いられる羽根や
ボルトの材料にはクリープ特性に優れたものが要求され
、従来から１２Ｃｒ系の耐熱鋼が使用されている。１２
Ｃｒ系の耐熱鋼は他の同等の１４ｍ強度を有する耐熱鋼
よりも一般に安価であり、しかも常温における靭性等も
良好であるほか、羽根材として不可欠な撮動減衰能も優
れているという特徴を有する。１２Ｃｒ系耐熱鋼はこの
ような特徴を有するので、その基本的な特徴を保持しつ
つさらに高温強度を向上するため、種々の合金成分を添
加することによりマルテンサイト組織を強化するととも
に炭窒化物の安定化を図って高温強度の維持ならびに高
温長時間の組織安定性が確保されている。また製造技術
の面においては、合金成分の偏析が直接的に高温強度の
低下を招ぎ、同時に、偏析を生ずるとその近傍にフェラ
イトが生成して好ましくないため、かような偏析を防止
して組織の均一化を図るべく再溶解処理も導入されてい
る。

現在のところ蒸気タービンの羽根やボルトの材料として
、具体的には、Ｈ４６と呼ばれる１２Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−
Ｎｂ鋼や４２２と呼ばれル１２Ｃｒ　−Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ
が使用されているが、これらはいずれも６００℃、３０
ｋｇ／ｌ１１２負荷ニオケルクリープ破１ｌＦｉ時間が
２００ないし３００時間程度であり、今後の蒸気温度の
上昇に対処するには十分な高温強度を有するということ
はできない。

［発明の目的］ 本発明は上記の観点よりなされたもので、その目的とす
るところは新規な１２ｃ「耐熱鋼を提供することである
。

本発明の他の目的は、従来の１２Ｃｒ綱に比べて優れた
クリープ破断強さを有する新規な１２Ｃｒ耐熱鋼を提供
することである。

本発明のもう一つの目的は、蒸気タービンの部品特に羽
根やボルトに好適な１２ｃ「耐熱鋼を提供することであ
る。

［発明の概要ｌ このような目的を達成するため、本発明に係る１２Ｃｒ
耐熱鋼は、ｔＩＩ社ｔ−０，０５が’３０．２５％まひ
の炭素、重量で０．２を越え１．０％までのシリコン、
瓜ａで１．０％以下のマンガン、重量で１．０を越え２
．０％までのニッケル、重量で８．０から１３．０％ま
でのクロム、ｍ１１″ｃｏ。

５から２．０％までのモリブテン、重量で０．１から０
．３％までのバナジウム、さらにニオブおよびタンタル
のうちから選ばれた少なくともいずれか一種を重石で合
計０．０３％以上０．３％未満、重ｆｆ１ｒ：０．０１
から０．２％までの窒素、重量で０．５を越え２．０％
まぐのタングステン、重量で０．００５から０．０１％
までのほう素、残部が基本的に鉄よりなり、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。

かかる本発明の１２Ｃｒ耐熱鋼は、従来より使用されて
いる１２Ｃｒ耐熱鋼である１　２Ｃｒ　−Ｍｏ　−Ｖ−
Ｎｂ　−Ｗ鋼を系統的に検討した結果Ｉ＃Ｉ発されたも
のである。

本発明の開発過程においては、炭素、シリコン、マンガ
ン、ニッケル、クロム、モリブテン、バナジウム、ニオ
ブ、タンタル、窒素、タングステン、はう素等の各合金
元素がクリープ破断強さに及ぼす影響について詳細な調
査・試験が行なわれた。

また金属相識についても、延性や靭性が従来の１２Ｃｒ
耐熱鋼より低下しないようにとの観点から研究が行なわ
れた。

その結果をまとめると次のようである。

〈１）炭素 炭素は、焼入時におけるオーステナイト相を安定にし、
さらに炭化物を生成してクリープ破断強さを高めるが、
その１＝めには０６０５％以上は必要である。しかし、
０．２５％を越えると炭化物が過剰となり、却ってクリ
ープ破断強さを低下させる。よって炭素の量は０．０５
から０．２５％とするが、好ましくは０．０８から０．
１５％である。

■シリコン シリコンは溶解時の脱酸剤として必要な元素で、０．２
％以下ではその目的を十分に達成できず、また１、０％
を越えるとδフェライト相を生成する原因となる。した
がってシリコンの陽はＯ６２を越え１．０％までとする
が、好ましくは０．２を越え０．６％までである。

０）マンガン マンガンはシリコンと同様に溶解時の脱酸・脱硫剤とし
て添加する元素であるが、多量に添加するとクリープ破
断強さが低下するので１．０％までとする。好ましくは
０．３から０．８％である。

４）ニッケル ニッケルはオーステナイト生成元素であり、焼入時のオ
ーステナイト相を安定にしδフェライト相の生成を防止
するのに有効であるが、そのためには１，０％を越える
添加が必要である。しかし、２．０％を越えて添加する
とクリープ破断強さが極端に低下し、またＡＣ１１！廉
が下がり好ましくないので、添加量は１−０％を越え２
．０％とするが、好ましくは１．１から１．５％である
。

（５）クロム クロムは高ｔＡｉＷ境下での酸化を防止するとともに、
クリープ破断強さの向上を図るのに必要な元素である。

この目的のためには８，０％以上の添加が必要であるが
、１３．０％を越えるとδフェライト相を生成するので
、８．０から１３．０％の範囲とするが、好ましくは９
．５から１２．０％である。

６）モリブテン モリブテンはクリープ破断強さの向上を図り、また焼戻
し脆化を防止するのに有効な元素であるが、そのために
は０．５％以上の添加が必要である。しかし、２．０％
を越えるとδフェライト相を生成しクリープ破断強さや
靭性の低下をきたすので、０．５から２．０％とするが
、好ましくは、０．７から１．５％である。

■バナジウム バナジウムはクリープ破断強さを向上させるのに有効な
元素である。この目的を達成するには０゜１％以上の添
加が必要であるが、０．３％を越えるとδフェライトを
生成し易くなるので、０．１から０．３％とするが、好
ましくは、０．１５から０．２７％である。

■ニオブ、タンタル ニオブおよびタンタルはいずれも結晶粒を微細化して延
性、靭性を増す作用がある。さらに、これらニオブおよ
びタンタルは炭化物、炭窒化物を形成し、基地中に微細
に分散析出してクリープ特性を著しく改善する。これら
の９ｈ采を得るためには、少なくとも一種以上の和が０
．０３％以−ヒとなるように添加することが必要である
が、この和が０．３％以上製なるとδフェライトを生成
し、また炭化物が粗大に析出して好ましくない。よって
添加量は０．０３％以上０．３％未満とするが、好まし
くは０．１０から０．２７％である。

（■窒素 窒素はフェライト相の生成を抑制するのに有効であり、
またニオブおよびタンタルの炭窒化物を形成するのに必
要な元素である。この目的のためには０．０１％以上の
添加が必要であるが、０゜２％を越えるとピンホールや
ブローホールを形成することがあり好ましくないので、
０．０１から０６２％とする。好ましくは、０．０３か
ら０゜０８％である。

６０タングステン タングステンはモリブテンと同様にクリープ破断強さを
向上する作用があり、このためには０゜５％を越える添
加が必要であるが、２．０％を越えるとδフェライトを
生成するに至る。よって、添加量は０．５を越え２．０
％までとするが、好ましくは、０．５を越え１．５％ま
でである。

■はう素 はう素は焼入性を向上させるとともにクリープ破断強さ
を向上させるに必要な元素で、その効果を得るためには
ｏ、ｏｐｓ％以上の添加が必要であるが、逆に０．０１
％を越えて添加すると製造時に鍛造割れが生じ易くなる
ので０．００５から０．０１％までとする。好ましくは
０．００６から０．０１％である。

本発明の１２Ｃｒ耐熱鋼は上記化学組成がらなり、６５
０’Ｃ程度の温度まで優れたクリープ特性を示すと同時
に、他の機械的性質は従来がら存在する１２Ｃｒ耐熱鋼
に比して劣らない。したがって本発明の１２Ｃｒ耐熱鋼
は蒸気タービンの部品等の材料としτ適覆るが、そのよ
５な用途に用いる場合にはクリープ強度と共に十分な疲
労強度および靭性を備えることか必要であり、かかる要
求を満すため本発明の１２Ｃｒ耐熱鋼はフェライトを含
まない実質的に焼戻しマルテンサイト組織からなる。

組織中にフェライトを生じさせないように】るには、上
記の範囲内で合金元素の添加量を調整すればよいが、後
述するように焼入れ温度を高くしてかつフェライトの生
成を防止するには、次式で定義されるクロム当量を６か
ら１１の範囲内にすることが望ましい。

以下余白 （クロム当量）−−４０Ｘ　［％Ｃ］　−３０×　［％
Ｎ１−２Ｘ［５Ｍｎ１−４ｘ［％Ｎｉｌ＋　［％Ｃｒ］
＋４Ｘ［％ＭＯ］＋６Ｘ［％Ｓｉ］＋１　１　ｘ　　［
％Ｖ］　　＋５ｘ　　［％Ｎｂ］＋２゜　５×　［％Ｔ
ａ］＋１．５Ｘ［％Ｗｌ　　＋４０Ｘ　　［％Ｂ］この
ように組成決定された本発明の１２Ｃｒ耐熱鋼は、１０
５０から１１５０℃の範囲の温度に加熱保持してオース
テナイト化した後急冷して焼入れ、ついで６００〜７０
０℃の範囲の温度で焼もどしを行うことにより実質的に
焼戻しマルテンサイト組織となる。なお、この６００か
ら７００℃の焼もどしの館に残留オーステナイトの分解
を目的に５００から６００℃で焼もどしすることはさし
つかえない。また、この温度範囲内で温度を変えで２回
行なうこともさしつかえない。

前述したように１０５０から１１５０℃と高い温度でオ
ーステナイト化して焼入れすると、ニオブヤタンタルな
どの炭化物、窒化物あるいは炭窒化物をより均一微細に
かつ多聞に析出させることができる。なお、オーステナ
イト・化渇度は１０５Ｏから１１５０℃の範囲であれば
、オーステナイト結晶粒は粗大化せず、またこのときク
ロム当社が上記範囲にあるとフェライトが生成すること
も防止できる。

ここで、本発明に係る１２Ｃｒ耐熱鋼およびそれから構
成されて成る羽根、ボルトなどのタービン部品の製造に
ついて簡単に述べる。

まず、限定された組成範囲となるよう配合された原料は
、適当な炉、たとえば電気炉を用いて大気中あるいは貞
空中で溶解される。溶解後、溶湯は適当な大きさおよび
形状を有するインゴットに造塊される。なお、このイン
ゴットを再びアーク溶解あるいはエレクトロスラブ溶解
すると、成分の均質化や不純物を低減する上で有効であ
るつ次に、造塊されたインゴットは重油炉、電気炉ある
いはガス炉等の加熱炉にＪ３いて約１１５０から１２０
０℃の範囲の１ｍに加熱された後、通常の手法、たとえ
ばプレス鍛造、ハンマ鍛造のような方法により鍛造され
る。

こうして鍛練された１２Ｃｒ耐熱鋼は、加熱炉においで
１０５０から１１５０℃の範囲の温度に加熱され、この
温度で全体が均一にオ・−ステナイト化するまで保持さ
れた後、油中投入、水中投入あるいは衝風冷却などの方
法で急冷して焼入れされる。

しかる後この１２Ｃｒ耐熱鋼は、加熱炉において６００
から７００℃の範囲の温度に加熱保持して焼戻しされ、
その組織は焼戻しマルテンサイトとなる。なお、焼戻し
に際しでは、焼入れ時の残留オーステプイト相を分解す
ることを目的に、上記のように６００から７００℃にお
ける焼戻しを行なう前に、まずそれより低い５００から
６００℃の範囲の温度に加熱保持した後引続ぎ６００　
ｔｆｉら７００℃において焼戻しすることもあるし、ま
たこの６００から７００℃の範囲において温度を変えて
２回の焼戻しを行なうこともある。

こうして得られた１２Ｃｒ耐熱鋼は、たとえばタービン
部品等の所望の形状に切削加工して成形される。なお、
羽根の場合には鍛練したビレットを適当な大ぎさに切断
後、１１００から１２００℃程麿の温辺に加熱し型鍛造
して羽根形状に成形してから焼入れ、焼戻しを行ない、
次いで８８寸法に機械加工することもある。

「発明の実施例］ 本発明は以下に述べる実施例および比較例についての試
験結果から一層明瞭に理解される。

実施例１ 表１の実施例１に示す合金組成となるように原料を配合
しＣ高周波爽空溶解炉で溶解後、金型に鋳込んでインゴ
ットを得た。なお、原料の配合に際し窒素の添加はＦｅ
　−Ｃｒ　−Ｎ系の母合金で行なった。次いでこのイン
ゴットの表面を機械加工で削り落とした後、重油炉に装
入し、１２００℃に加熱してハンマ鍛造を行ない、１径
３０１１１の丸棒に鍛伸した。

こうして得られた丸棒を後述する各試験の試験片が採取
できる良さに切断し、その夫々を電気炉において１１０
０℃に２時間加熱保持し、しかる後室温の油に投入しＣ
焼入れし、引続いて電気炉にて６５０℃に３時間加熱保
持して焼戻しだ。

熱処理を終えた各素材を機械加工して試験片を作成し、
それぞれの試験片を用いて、引張試験、クリープ破断試
験を行なった。これらの試験結果は表２に示しである。

引張試験は室温で行ない、表２には引張強さおよび切断
後の伸び、絞りを表しである。またクリープ破断試験は
温度および荷重を変えて二通りの条件で行ない、表中に
それぞれの条件で破断に至るのに要した時間を示した。

実施例２−４ 実施例２−４についてもそれぞれ実施例１と同様の方法
で試験片を作成し試験を行なった。これら実施例２−４
の合金組成を表１に、試験結果を表２に示しである。

比較例 比較例１．２についても上記と同様の方法で試験片を作
成し試験を行なった。ただしこれら比較例は表１に示さ
れるようにその合金組成には本発明の１２Ｃｒ耐熱鋼に
必須の元素であるほう素、タングステン、或いはニオブ
およびタンタルが含有されていない。ここで比較例１は
従来から用いられているト１４６に、また比較例２はい
わゆる４２２と呼ばれる耐熱鋼にそれぞれ相当している
。

これら比較例の試験結果は表２の下段に示した。

表２に示した試験結果から、本発明に係る１２Ｃｒ耐熱
鋼である実施例１−４は、６００℃、６５０℃のいずれ
の濃度においても比較例に比べ格段に優れたクリープ破
断特性を示すことが明らかである。しかも、常温におけ
る引張試験では実施例１−４と比較例１．２は同程関の
引張強さを示し、切断後の伸び、絞りについては実施例
１−４に方が幾分優れた値を示していることが理解され
る。

［発明の効果］ 以、Ｅのとおり、本発明の１２Ｃｒ耐熱鋼は延性および
靭性を損うことなくクリープ特性の向上を実現したもの
であって、タービンの部品等の材料としてその価値はき
わめて大きいものである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量で０．０５から０．２５％までの炭素、重量
   で０．２を越え１．０％までのシリコン、重量で１．０
   以下のマンガン、重量で１．０を越え２．０％までのニ
   ッケル、重量で８．０から１３．０％までのクロム、重
   量で０．５から２．０％までのモリブテン、重量で０．
   １から０．３％までのバナジウム、さらにニオブおよび
   タンタルのうちから選ばれた少なくともいずれか一種を
   重量で合計０．０３から０．３％未満、重量で０．０１
   から０．２％までの窒素、重量で０．５を越え２．０％
   までのタングステン、重量で０．００５から０．０１％
   までのほう素、残部が基本的に鉄よりなり、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１２Ｃ
   ｒ耐熱鋼。
2. （２）重量で０．０８から０．１５％までの炭素、重量
   で０．２を越え０．６％までのシリコン、重量で０．３
   から０．８％までのマンガン、重量で１．１から１．５
   ％までのニッケル、重量で９．５から１２．０％までの
   クロム、重量で０．７から１．５％までのモリブテン、
   重量で０．１５から０．２７％までのバナジウム、さら
   にニオブおよびタンタルのうちから選ばれた少なくとも
   いずれか一種を重量で合計０．１０から０．２７％まで
   、重量で０．０３から０．０８％までの窒素、重量で０
   ．５を越え１．５％までのタングステン、重量で０．０
   ０６から０．０１％までのほう素、残部が基本的に鉄よ
   りなる第１項記載の１２Ｃｒ耐熱鋼。
3. （３）蒸気タービンの羽根に適用される第１項記載の１
   ２Ｃｒ耐熱鋼。
4. （４）蒸気タービン用ボルトに適用される第１項記載の
   １２Ｃｒ耐熱鋼。