JPS62199752A

JPS62199752A - オ−ステナイト系耐熱鋼

Info

Publication number: JPS62199752A
Application number: JP4026486A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Imai; 潔今井; Masaru Yamamoto; 優山本; Yoichi Tsuda; 陽一津田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-02-27
Filing date: 1986-02-27
Publication date: 1987-09-03

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、蒸気タービン等に使用されるオーステナイト
系耐熱鋼に関する。

〔従来の技術〕

今日、世界的にエネルギーの需要は年々増大しているに
もかかわらず、化石燃料資源の枯渇及び産油国の石油戦
略による価格の高騰など、石油資源の安定供給に関する
情勢は、改善される見通しは少ない。特に、エネルギー
資源の大部分を輸入に依存している我が国にとって５発
電プラントの高効率化は急務である。

従来、蒸気タービンは蒸気温度５６６℃以下、蒸気圧力
２４６気圧以下で運転されており、羽根・ボルト用材料
としては１２Ｃｒ基鋼が使用されている。ところで近年
、発電プラントの効率向上の見地から。

蒸気温度６００℃以上、蒸気圧力３１６気圧以上のいわ
ゆる超々臨界圧タービンの実用化が電力業界等により求
められている。このような高温・高圧蒸気タービンで、
特に高温強度が要求される部材である羽根・ボルトに適
用する材料として、従来材である１　２Ｃｒ基鋼は、そ
の高温強度が不足することから使用不可能である。一般
に、高温強度の優れた材１て強化されたＮｉ基オーステ
ナイト耐熱合金があるが、これらの合金は高価である。

そこで、６００℃以上の高温で優れた高温強度を有し、
かつ安価なγ′析出強化型オーステナイト系鉄基耐熱鋼
の開発が試みられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般に、γ′相にて強化された鉄基耐熱合金では、優れ
た高温強度を与えるためＮｉ、Ｔｉ、Ａｌ１．Ｍ０．　
Ｃ等の各合金成分が、また、耐食・耐酸化性を与えるた
めＣｒ等が添加されている。これらのうちＣは、合金素
地地中に固溶することにより、また各合金元素と反応し
て炭化物となって合金中に適度に析出・分散することに
より合金を高強度にする機能を有する。ところが、ここ
でＣｒを中心とするＭ。

Ｃ６型炭化物が粒界に析出した場合、結晶粒界近傍では
Ｃｒが炭化物生成のために消費された結果Ｃｒ欠乏層が
生じている。このような材料を常時高引張応力下に置か
れるタービンボルト等に使用すると、タービン停止時の
湿潤雰囲気中などで応力腐食割れを発生する危険が大と
なる。また、この種の合金ではＴｉを中心とする粗大な
ＭＣ型炭化物が未固溶炭化物としである量存在している
。この未固溶炭化物の存在は、素地の靭性・延性を低下
させるのみならず、本来γ′相として析出させるべきＴ
ｉが、不要なＭＣ型炭化物としていたずらに消費される
ことから、目的とする高温強度が得られない結果を招く
。このような炭化物析出の抑制には、Ｃ量の低減が有効
であるが、ただ単にＣを低減したのみでは合金素地の強
度が低下子る。

本発明は上記の点を解決するためになされたものであり
、その目的は合金素地の強度を低下させることなく、耐
応力腐食割れ性、靭性に優れたオーステナイト系耐熱鋼
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために１本発明に係るオーステナイ
ト系耐熱鋼は１重量パーセントで、ｃ０．Ｃ２％　以下
、Ｓｉ０．５％以下、Ｍｎ２．０％以下、Ｎｉ２０〜５
０％　、　Ｃｒ１０〜２０％　、　Ｍｏｌ．０〜４％、
Ｖ０．１〜０．５％。

Ｔｉ０．１５〜４．０％、　Ａ１０．３〜１．０％、　
Ｂ０．ＯＯｌ　〜０．０１％。

Ｚｒ０．１％以下、Ｎ０．ＯＯｌ　〜０．１％　を含有
し、さらに必要に応じＮｂを０．５〜２．０％含有する
ことを特徴とするものである。

合金中の各成分の添加目的ならびに組成限定の理由は次
の通りである。

Ｃは材料強度を高めるために有効な元素であるが１反面
Ｃ量の増加に従い、　Ｍ、、Ｃ，型炭化物の析出とそれ
に伴う応力腐食割れ発生の危険性の増大、ＭＣ型粗大炭
化物量の増加とそれに伴う靭性・高温強度の低下が生じ
るので、Ｃ量は０．０２％以下とする。

Ｓｌは脱酸剤として作用し、また合金の耐酸化性を向上
させるためにも有効な元素であるが、多量、に添加する
とＮｉ、Ｔｉと結合して粒界にＧ相として析出し、合金
の延性を低下させるので０．５％以下とする。

Ｍｎは脱酸剤として作用するが、多量に添加すると耐酸
化性を劣化させるので、２％以下とする。

Ｎｉは、オーステナイト相安定化のために必要な元素で
あり、またＴｉ−ＡＱと反応して金属間化合物γ′相（
Ｎ３　（ＡＱ、Ｔｉ）　）を形成し高温強度を向上する
のに必要である。このためには、２０％以下では効果が
薄く、オーステナイト相中にＣｒ、Ｍｏを充分に固溶し
、炭化物として不必要に析出することを抑えるためには
多い程好ましい。反面、Ｎｉは高価であり、添加量が増
すと採算上既存のＮｉ基耐熱合金に対抗し得なくなるの
で、　５０％を上限とする。

Ｃｒは健全な耐酸化性被膜を形成し、材料に耐酸化・耐
腐食性を付与するのに有効であり、またオーステナイト
素地に固溶して固溶体を強化するが、１０５未満では充
分な耐酸化・耐腐食性は得られず、一方２０％を越える
と高温での長時間使用に際し脆化相であるσ相を生成す
るため、１０〜２０％とする６Ｍｏは、オーステナイト
相に固溶して固溶強化に有効な元素であり、拡散を抑制
してクリープラブチャー強度を向上させる働きを有する
が、１．０％未満ではその効果は得られず、また多量に
添加するとオーステナイト母相を不安定にして高温延性
を低下するので、その範囲を１．０〜４，０％とする。

■は、高温切欠靭性を増すと共にオーステナイト素地に
固溶して強化に寄与するが、０．１％未満ではその効果
は充分でなく、また過剰に添加しても強度向上には寄与
しないので０．１〜０．５％とする。

Ｔｉは１本発明合金の高温強度を増大させるため最も重
要な元素であり、Ｎｉ　、　Ａｌ２と共に金属間化合物
γ′相（Ｎｆｆ（ＡＱ、Ｔｉ））を生成し、合金素地中
に微細に分布して本発明合金の高温強度を高める。しか
し、０．１５％以下ではその効果は少なく、多量に添加
するとη相（Ｎｉ、Ｔｉ）が粒界から層状に析出して延
性を損うので４％以下とする。

ＡＱは上記Ｔｉと同様、本発明合金の高温強度を高める
ために重要な元素であり、Ｎ１−ＡＱと結合してγ′相
（Ｎ−（ＡＱ＄　Ｔｌ）　）を形成する。また耐酸化性
を付与するためにも有益な元素であるが、０．３％以下
ではその効果は少なく１．０％以上となると加工は困難
となる。

Ｂは、粒界に偏析して粒界を強化するのに有効で、また
γ′相のη相への変態を遅らせる働きを有する。そのた
めには０．００１％以上が必要であるが、多すぎると熱
間加工性を損うので上限を０．ｏｉ％とする。

Ｚｒは粒界を強化してラブチャー強度とともに高温延性
を向上させるのに有効な元素であるが、一方多量に添加
すると熱間加工性を損うので０．１％以下とする。

ＮｂはＣと反応して炭化物を生成するとともに、Ｆｅと
も反応して金属間化合物（ＮｂＦｅ、　）を生成し高温
強度を高めるのに有効である。そのためには０．５％以
上が必要であるが、多量に添加すると加工性を損うので
０．５〜２．０％とする。

Ｎはオーステナイト素地中に固溶して強度向上に有効な
元素であるが、０．００１％未満ではその効果は薄く、
一方過剰に添加するとＴｉＮ、として析出し、合金の靭
性を低下させるので、０．１％以下とする。

本発明のオーステナイト系耐熱鋼を得るためには、まず
原料となる各素材金属を真空あるいは大気下で混合溶解
し、脱酸後において実質的に上記組成の鉄基耐熱合金溶
湯を得る。ついでこれを鋳造して鋼塊とするが、さらに
この鋼塊に真空アーク再溶解あるいはエレクトロスラグ
再溶解を適用することは、高温延性を向上する上で好ま
しい。

このようにして製造された鋼塊を鍛造または圧延し、必
要な熱処理を施すことにより１本発明のオーステナイト
系耐熱鋼が得られる。

〔実施例〕

以下に、本発明の詳細な説明する。第１表に示す６種の
合金試料を高周波炉にて各２００　ｋｇ溶躾し、これを
電極としてエレクトロスラグ再溶解を行って鋼塊を得た
。これを圧延し、９８０℃４時間の溶体化処理および７
２０℃１６時間の時効処理を施して得た素材に対し、応
力腐食割れ試験、引張試験、シャルピー試験、クリープ
ラブチャー試験を実施した。

（以下余白）第２表は、純水環境中での応力腐食割れ試験後発生した
亀裂の最大深さを示す。これにより比較例１は応力腐食
に伴う亀裂が顕著であるのに対し、比較例２を含め、実
施例１〜実施例４は応力腐食現象を呈していない。第３
表は室温及び高温における引張試験の結果であるが、Ｃ
量を単に低減したのみの比較例２は、比較例１に対し耐
力の低下が著しい。それに対し、本発明に係る実施例は
比較例１と同程度またはそれ以上の強度と延性を示して
いる。

第２表第３表第４表は室温におけるシャルピー衝撃試験結果である。

比較例１に対してはもとより、比較例２に対しても、実
施例１〜実施例４はｖＢｍ値が向上している。第５表に
示すフリープラプチャー試験結果においても、本発明に
係る実施例は比較例に対第　　４　　表第５表し同等もしくはそれ以上の破断寿命を有しているにもか
かわらず、破断延性は同等との結果を得ている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、耐応力腐食割れ性に優れた鉄基オース
テナイト系耐熱鋼が得られ、これをタービンボルトに適
用する゛ことにより高効率発電ブラントを実現すること
が可能となった。また、本発明に係るオーステナイト系
耐熱鋼は、優れた耐ＳＣＣ性のみならず優れた高温強度
や靭性を生かし。

超高圧タービン羽根、原子炉内構造物、化学プラあント用機器等へも適用可能でなり、従来の鉄基オーステ
ナイト系耐熱鋼に比較し用途が顕著に拡大したものとな
っている。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比で、Ｃ０．０２％以下、Ｓｉ０．５％以下
、Ｍｎ２．０％以下、Ｎｉ２０〜５０％、Ｃｒ１０〜２
０％、Ｍｏｌ．０〜４％、Ｖ０．１〜０．５％、Ｔｉ０
．１５〜４．０％、Ａｌ０．３〜１．０％、Ｂ０．００
１〜０．０１％、Ｚｒ０．１％以下、Ｎ０．００１〜０
．１％、残部Ｆｅおよび不随的不純物よりなるオーステ
ナイト系耐熱鋼。
（２）重量比で、Ｃ０．０２％以下、Ｓｉ０．５％以下
、Ｍｎ２．０％以下、Ｎｉ２０〜５０％、Ｃｒ１０〜２
０％、Ｍｏｌ．０〜４％、Ｖ０．１〜０．５％、Ｔｉ０
．１５〜４．０％、Ａｌ０．３〜１．０％、Ｂ０．００
１〜０．０１％、Ｚｒ０．１％以下、Ｎｂ０．５〜２．
０％、Ｎ０．００１〜０．１％、残部Ｆｅおよび不随的
不純物よりなるオーステナイト系耐熱鋼。