JPS6151025B2

JPS6151025B2 -

Info

Publication number: JPS6151025B2
Application number: JP12859878A
Authority: JP
Inventors: Kanji Kawaguchi; Mitsuo Kawai; Matsuo Myazaki; Osamu Watanabe
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1986-11-07
Also published as: JPS5558352A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は高温強度および靭性を要求される高低
圧一体型タービン用ロータに関する。自家発電用のタービンロータは小型化および機
構の簡略化という見地から高圧部から低圧部まで
を同一の材質で一体構造として使用しており、こ
のような高低圧一体型ロータの材料には、従来表
―１に示す(A)の組成より成る合金を主として用い
ている。ところでこのような自家発電用蒸気タービンの
最高蒸気温度は高々500℃程度であつたが近年、
熱効率向上の観点から使用蒸気温度が500℃以上
で、かつ発電容量の大きなタービンが望まれてい
る。そのため使用蒸気温度の上昇とロータ径が増
大することから自家発電熱気タービンに使用する
高低圧一体型ロータにおいては高圧部では優れた
高温強度が要求され、さらに低圧部においてはタ
ービンの大容量化に伴ない翼長が増大し、ロータ
にかかる負荷特にタービンの起動時にロータにか
かる負荷が増すために強度と靭性が必要とされ
る。しかし、これらの要求に対し従来より使用さ
れているロータ材(A)をそのまま適用することは高
圧部での高温度の不足、低圧部での強度および靭
性の不足から不可能である。なお現在、事業用蒸気タービンロータの構成材
料として用いられている合金の組成を表―１(B)，
(C)に示すが、この組成の合金で高低圧一体型ロー
タを構成した場合には次のような不都合がある。
すなわち、

【表】合金(B)で高低圧一体型ロータを構成した場合に
は、高温強度は充分であるが、靭性に乏しくロー
タ中心部の延性脆性遷移温度（50％FATT）が
高い。このため脆性破壊に対し安全性を充分に保
障し得ない欠点がある。一方合金(C)で構成した場
合にはロータ中心部の延性脆性遷移温度が室温以
下と低いことからロータの脆性破壊に対する安全
性を充分に確保しうる。しかしその反面、蒸気温
度の高い高圧部では高温強度が不足し、且つ構成
合がNiを多量に含すことから高温での長時間使
用（運転）において脆化し易いと言う不都合が生
じる。即ち上記合金Ａ，Ｂ，Ｃのいずれを用いても構
成された高低圧一体型タービン用ロータには一長
一短があり実用に供し難い不都合さがある。本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、高
温および低温で優れた強度と低温でも優れた靭性
を有し、特に所要の機能を発揮する高低圧一体型
タービンのロータを提供しようとするものであ
る。以下本発明を詳細に説明すると本発明に係る高
低圧一体型タービンロータは重量比でC0.05〜0.3
％、Si0.1％下、Mn0.3〜1.5％、Cr9.0〜13.0％、
Mo0.5〜2.0％、V0.1〜0.5％、Ni1.0〜2.5％、
Nb0.01〜0.5％、N0.01〜0.1％、残部Fe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高低圧一体型タ
ービン用ロータである。この発明に係る高低圧一体型タービンロータ
は、前述した各合金元素を特定の組成範囲とする
ことにより、高温および低温で優れた強度と、低
温での優れた靭性を発揮する。その大きな理由と
しては合金の素地中にNbの炭窒化物が微細に分
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Nb炭窒化物が
鍜造および熱処理時に合金の結晶粒の粗大化を防
止し靭性の向上に寄与する。また低温における強
度、靭性を増強するに有効なNiを多量に含有す
ること、さらに合金中へ脱酸剤として添加するSi
の量を減じ、代りに真空カーボン脱酸を行い、合
金中のシリカ系酸化物量を減らすことにより、低
温における靭性が向上する。なお、この発明に係
る高低圧一体型タービンロータ材は以下に示す。クロム当量＝−40×Ｃ％−30×Ｎ％２ ×Mn％−４×Ni％＋Cr％＋４×Mo％＋６×Si％＋11×Ｖ％＋2.5×Ta％の式でクロム当量が11以下とすることが望まし。
このことは本発明に係る高低圧一体型タービンロ
ータの如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エラ
イト相が生成し、クリープ強さの低下をきたす恐
れがあるためである。この発明に係る高低圧一体型タービンロータは
以下に述べるように製造し得る。まず所定量の合
金元素を配合し、溶解後、真空カーボン脱酸を行
ない鋳造する。その後1100〜1250℃に加熱し鍜造
加工を行い、次いで950〜1100℃で均一に加熱す
る。そしてこの温度で完全にオーステナイチ組織
に変態するに充分な時間をかけ、変態完了後、油
中あるいは水噴霧などで100℃程度まで冷却す
る。この冷却過程で金属組織はγ→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。そこ
でこのまま100℃程度の温度に数十時間維持し均
質化の後、550〜700℃に昇温し、数時間から数十
時間保持して焼戻しを行う。なお最終的に合金の
組織は焼戻しマルテンサイト組織となり、高温で
の優れた強度と低温での優れた靭性を有する高低
圧一体型タービンロータを得ることができる。ここで本発明に係る高低圧一体型タービンロー
タの合金元素について限定理由を説明すると、
Ｃ：0.05〜0.3％、Ｃは高温で地鉄中に固溶しオ
ーステナイト組織とし、急冷によりγ―α′変態
を起こさせ低温および高温での強度を向上させる
とともに、NbやCrなどの元素と炭化物を形成
し、高温のクリープ変形抵抗を向上させるに必要
な元素で、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。 Si：0.1％以下、Siは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抵温での靭性を害
するため、できるだけ少ない方が望ましい。 Mn：0.3〜1.5％、MnはSiと同様に溶解時の脱
酸および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広げる元素で少な
くとも0.3％は必要であり、1.5％を越えると高温
強度を低下させる。 Cr：9.0〜13.0％、Crは地鉄中に固溶し合金の
強度を向上させるとともに耐酸化、耐食性を付与
させるに必要な元素で少なくとも9.0％は必要で
ある。しかし多量の含有は好ましくないフエライ
ト相を生成し、高温強度の低下をきたすことから
13.0％までとする。 Mo：0.5〜2.0％、Moは高温および低温での強
度を高め、さらに焼戻し脆性を防止するのに必要
であり、0.5未満ではその効果が少ない。またMo
を多量に添加すると、フエライト相が生成し高温
強度を低下させることから2.0％までとする。Ｖ：0.1〜0.5％、Ｖは高温強度を向上させるに
必要な元素で、0.1％未満ではその効果が少な
く、またフエライト生成元素であり、多量の含有
はフエライト相を生成し高温強度を低下させるの
でこの範囲とする。 Ni：1.0〜2.5％、Niはフエライト相の生成を防
止し、焼入性を高めるのに必要で、さらに低温に
おける強度と靭性をより向上させるためにも1.0
％以上が必要である。なお2.5％を越えると高温
強度の低下が著しくなるための範囲とする。 Nb：0.01〜0.5％、Nbは合金中のＣおよびＮと
化合してNb炭窒化物を生成し合金の素地中へ微
細に析出、分散して高温のクリープ強さを向上さ
せるとともに、鍜造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0.01％は必要とする。しかし
Nbはフエライト生成元素であり、多量の添加は
高温強度の低下をきたすため0.5％までとする。Ｎ：0.01〜0.1％、Ｎはオーステナイト生成元
素でフエライト相の生成を抑制し、特にNbと化
合して窒化物を形成して高温のクリープ変形低抗
を向上させるに必要で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
ア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その実施例を以下に説明す
る。まず表―２に示す化学組成の合金試料を用意
し、溶解、鋳造した。なお、実施例１，２，３に
ついては真空カーボン脱酸を鋳造前に実施した。
次に鋳造した各合金試料のインゴツトを1200℃に
加熱し鍜造加工を行い、その後表―３に示す条件
で調質処理を施した。なお表中の熱処理の欄で記
号Ａ，Ｃ，Ｅはロータの表層部、また記号Ｂ，
Ｄ，Ｆは同じくロータの中心部での冷却速度をシ
ユミレートしたものである。

【表】

【表】かくして得た各試験材より引張試験、シヤルビ
ー衝撃試験、およびクリープ破断試験を行なつ
た。これらの試験結果を表―４に示す。（なお表
―４の中に記した50％FATTとは衝撃試験した
後の試験片破面において延性破面が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、タービンロータとして望ましい）。表―４より明らかなように、本発明に係る高低
圧―体型タービンロータは比較例(1)および、従来
の蒸気タービンに使用されている１％Cr〜１
％、Mo〜0.25％Ｖロータ（比較例２）に比べ、
靭性ははるかに優れ、クリープ破断強さも同程度
かそれ以上保有している。また比較例(3)のものに
比べてもクリープ強さは非常に優れている。以上
のように本発明に係るタービン用ロータは延性脆
性遷移温度（50％FATT）が低く、その値が40
℃以下であることを伴ない脆性破壊に対する安全
性が向上し、しかもクリープ破断強さも良好であ
るため、タービンの使用蒸気温度を向上させて熱
効率の向上やタービンの大容量化を図ることがで
きる。以上、本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン
用ロータは工業上有用である事は確実である。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量比でC0.05〜0.3％、Si0.1％以下、Mn0.3
〜1.5％、Cr9.0〜13.0％、Mo0.5％〜2.0％、V0.1
〜0.5％、Ni1.0〜2.5％、Nb0.01〜0.5％、N0.01〜
0.1％、残部Fe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
徴とする高低圧一体型タービン用ロータ。