JPS62222027A - 耐熱ロ−タ−の製造法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、長時間加熱脆化の少い高温強度と靭性ンこ優
れた耐熱ローターの製造１去に関するものである。

（従来の技術） 火力発電設備の高効率化と大容量化は、蒸気の圧力、温
度を高める方向に移行し、蒸気タービンローターに対し
て、高＠における特性向上が強く要請されている。これ
らの特性の中には、高温強度や高温での長時間クリープ
破断強度が大きいこと−や、クリープ延性が要求される
ことは勿１倫であるが、それと共に、長時間の使用中に
おける・靭性の低下の少い材質を得ることも非常に重要
な点である。

これらの要求て対して、最近種々の新しい製造法の開発
が行われ、品質改善が行われている。例えば４．♀公昭
６０−５４３８５公報−、特開昭５９−１０１２５２公
報、更には特開昭６０−１３０５６公報等（で示されて
いるようｘ、ＮｂＪＰｖを添加して、これらの元素の炭
・窒化物の生成効果と！ａ粒化効果によるクリープ破断
強度や、靭性の向上を狙ったものなどが散見される。

（発明が解決しようとする問題点） これらの従来法は、クリープ破断強度や靭性の向上等に
は充分考慮され、５５００強度迄の温度におけるクリー
プ破断強度や、クリープ延性、靭性はいずれも良好であ
るが、長時間高温で保持された時の・靭性低下について
は、考慮されていな（、・“Ｎ性の劣化が大きいという
欠点がある。

（問題点を解決する之めの手段） そこで本発明者らは、上記既存技術の問題点を考慮し之
結果、Ｃ、Ｃｒ　、　Ｍｏ　、　Ｖ　、　Ｎｂ等や、必
要に応じＷ　、　Ｎ　、Ｂの適量添加を行い、更に適当
な熱処理を行えば、長時間加熱脆化を助長するＳｉ。

Ｍｎ量を低減させること、Ｓｎ　、　Ｓｂ等の脆化促進
不純物を一定量以下に低減させること、及びＰ含有量を
低減させること【よる効果と、必要に応じてＣａの、奈
加企行うことにより、高温強度、クリープ破１所強度に
は影響を及ぼすことなく、長時間加熱脆化を大巾に峰減
せしめることが可能であるという、新規な知見に基ずく
製造法により、高温特性がすぐれ、・靭性劣化の少いＩ
ｔｔ鳩ローターの製潰が可能であることを見出した。

即ちＭｎは地鉄および炭化物に一部固溶し、θ相を形成
し、又炭化物の地鉄に対する溶解度を増加するため、長
時間加熱脆化を助長させる。又、Ｓｎ　、　Ｓｂは地鉄
中に固溶し、特に粒界脆化を著るしくする。又Ｐ　、　
ＳｉはＭｎとの共存で、特にＣｒ量が多い鋼の場合、長
時間加熱脆化を著るしく助長する。従ってこれら各元素
の低減により、その重畳効果も含めて、靭性劣化の防正
金大きく期待出来る。

又Ｃａは微細な介在物の形態制御によって、初期・靭性
を向上させることが出来ると共（／ｉ：、粒界の清浄効
果によって、高Ｃｒ鋼の焼戻脆化、特（（長時間加熱脆
化を減少せしめるなどの知見を見出し之。

又更にＮｂの添加により、Ｎｂ　（Ｃ、Ｎ　）を生成せ
しめ、　Ｎｂ　（Ｃ、Ｎ　）の一部が、未固溶である温
度に加熱することによって、オーステナイトの成長を抑
制し、細粒オーステナイトから焼入れることによって、
細粒マルテンサイトを晶出せしめ、続く焼戻し時に地鉄
中に溶解していたＮｂ（Ｃ，Ｎ）の一部が、極めて微細
で均一に析出することと。

細粒の焼戻マルテンサイトであるため粒界面積を拡げ、
Ｍｎ　、　Ｓｉ　、Ｐ　、Ｓｎ　、ｓｂ等の粒界脆化を
促進する元素を、少くしたこととの重畳効果により、著
るしく長時間加熱脆化が抑制されることなどの知見を見
出した。

即ち、本発明は以上の知見に基いてなされたものであり
、その要旨とするところは、重量％でＣ０１１５〜０．
２５％、Ｓｉ０．１０％以下、Ｍｎ０．３０係以下、Ｐ
０．０１５％以下、８０．０１０％以下、Ｎｉ１．０％
以下、Ｃｒ９〜１３％、Ｍｏ　１〜３％、Ｖ　０．１５
〜０．３０％、Ｎｂ　０．０２〜０．０７％、　Ａｔ０
．０１５％以下、Ｓｂ　、　Ｓｎの合計が０．００３５
％以下であり、必要に応じてＣａ　０．００１〜０．０
０４％を含み、残部がＦｅと不可避不純物から成る鋼、
又は以上の化学成分に、更に必要に応じ８０．０００５
〜０．００５％、Ｗ３％以下、Ｎ０．０２〜０．０４％
の１種又はそれ以上を添加した鋼を成形した後に、１０
００−１１０Ｏｒの温度に加熱して加速冷却２行った後
に、６０００以上に再加熱して製造することを特徴とす
る。

以下に本発明を更に詳細に説明する。

先ず、本発明の対象とする鋼を構成する化学成分の限定
理由を説明する。

最初にＣは強度確保上必要な元素であるが。

０、１５１未満の低い含有量では、焼入性の良い本発明
の規定する成分でも、焼入硬さの確保が困雉で、従って
焼戻し後の強度確保、ひいては高温でのクリープ破断強
度の確保が出来ない。一方０．２５チを超える量添加し
た場合は、靭性の劣化やクリープ延性の劣化などが起り
好ましくない。従って０．１５〜０．２５％とする。

Ｓｌは強度を向上させる効果があるが、前述したよう罠
本発明に規定する鋼の場合、ＰやＭｎと共有して、焼戻
脆化や長時間加熱脆化を助長する。

この傾向は、特Ｋ　０．１％を超えると著るしい、従つ
て上限のみを規定し、０．１愛とした。下限は特に規定
しないが、製鋼上の脱酸元素でもあり、Ａｔ含有袖との
兼ね合い（（よって、鋼中の酸素量に影告する。好まし
くは０．０２〜０．０７％である。

Ｍｎは焼入性を向上させ強度を上げ、オーステナイトの
生成元素であり、δフェライトの生成を防止するなどの
効果があるが、前述のように本発明を構成するポイント
の１つで、長時間加熱脆化の防止の点からは低い方が好
ましいが、あまりに低いと精練技術上の問題が生じ不経
済になる。これらの点を考慮して、上限のみを定め０．
３％以下とした。

Ｐは初期靭性を劣化させ、Ｍｎ　’Ｐ　Ｓ　ｉと共に粒
界脆化の原因となって、使用中に材質劣化を未了。

これも低い程良好であるが、上限のみを定め０．０１５
多以下とした。

Ｓは初期・′１匁性特にシェルフエネルギー値を低下せ
しめるため、低い程好ましいが、これも精錬上づ理由で
あまり高すと不経済である。ここでも上限のみを規定し
０，０１％以下とした。

Ｎ１は地鉄中に固溶し・靭性を向上させる効果があるが
、本発明の対東とするローターでは、過度に含有された
場合、高温長時間使用中にＣｒ、Ｎｂ。

Ｍｏ　、　Ｖなどの炭・窒化物を凝集させ、クリープ延
性の低下を来すことがある。この限界量が１．０係であ
るため、上限値のみを規定し１．０％以下とした。

Ｃｒは本発明の対象とするローターを構成する鋼での基
本的元素で、高温における耐食性と保持する之めと、炭
化物Ｍ２３Ｃ６のＭ中に入って炭化物を安定させ、クリ
ープ破断強度を維持させるために添加するもので、９係
未満では炭化物生成後のマトリックスのＣｒ＠度の低下
で耐食性に難点を生じ、又一方１３％超では、本発明の
対象鋼では変態点がなくなり、結晶粒度の異常成長によ
る・靭性劣化が起るからである。

Ｍｏは本発明を構成する鋼では、固溶体強化作用、Ｍよ
、Ｃ６の安定化作用、Ｌａｖｅｓ相（Ｆｅ２Ｍｏ　）と
して析出作用を有し、高温クリープ強度を確保する上で
添加する。下限を１％としたのは、こｎ未満ではこれら
の効果が、本発明の対象とするローターの使用温度では
少い友めであり、又上限を３％としたのは、これを超え
る量では添加全に比して効果の期待が少く、経済的でな
いためである。

■は炭化物や、炭・窒化物、Ｖ４Ｃｓ　＋Ｖ（Ｃ、Ｎ）
あるいはＭ２３Ｃ６のＭ中に入って、析出硬化作用を生
じ、本発明の対象とする鋼の高温クリープ破断強度を確
保する意味で極めて重要である。下限量に０．１５％と
したのは、これ未満ではこれらの効果が充分て期待出来
ないからであり、一方添加量を過多にすると、これらの
効果が飽和するばかりか、反って・靭性やクリープ延性
を劣化させる。この念め上限を０．３チとした。

Ｎｂは本発明の重点元素の１つで、焼入加熱温度への加
熱の際のオーステナイト粒度成長の抑制や、焼入後の焼
戻し又は高温使用中での微細Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の析出によ
るクリープ破断強度の向上効果がある。これらの効果に
より、長時間加熱脆化を、抑制するのを助長するのは前
述の通りである。これらの効果を有効ならしめる下限量
は０．０２チである。一方添加量が多過ぎると、長時間
加熱の際Ｎｂ　（Ｃ、Ｎ　）の顕著な凝集粗大化を生じ
、クリープ破断強度を低下させることがある。上限値を
０．０７％としたのはこの念めである。

Ａｇ、は脱酸剤として添加されるが、Ｎとの親和力が強
い；ｅめＮＴｈ固定し、Ｖ　（Ｃ、Ｎ　）、　Ｎｂ（Ｃ
，Ｎ）のスムーズな形成を阻害して、結果としてクリー
プ破断強度等の低下を来す恐れがある。従って上限のみ
を規定０．０１５％以下とした。

Ｓｂ　、　Ｓｎは長時間加熱時の粒界脆化を著るしく助
長するため、出来るだけ減少するのが好ましいが、他の
不可避的元素と同様、減少させるの（′ｉ：経済的問題
もあり、特に脆化が顕著如なる限界量として、ｓｂとＳ
ｎの和Ｔｈ０．００３５％以下とした。

以上が基本的元素であるが、さらに本発明では前記以外
の元素として、Ｃａ、Ｂ、Ｗ、Ｎを必要量添加しても、
同様の特注の鋼を得ることが出来る。

Ｃａは前述の如く、微量なＳの含有に伴う介在物の形態
制御により、初期・靭性を向上させると同時に、粒界の
清浄化による酸化抑制効果がある。

これらの効果を期待するためには、０．００１％以上の
添加が必要である。このため下限量’ｔ、０．００１係
とした。又過多に添加すると、著るしく介在物量が増加
して靭性を低下させるなどの欠点を生じる。従って上限
量ｆ：０．００４％とした。

ＢはＮｂとの共存で、焼入性向上効果の他に、炭化物の
地鉄中の粒状析出作用を示し、又粒界の析出物を不連続
的にするなどの作用がある。本発明で下限量を０．００
０５％としたのは、これらの効果を期待するからであり
、これ未満では不充分である。一方０．００５％を超え
る量では、特に長時間の高温保持で、粒界の炭化物を過
度に凝集させる。従って０．０００５〜０．ｏｏｓ％と
した。

ＷはＭＯと同様な効果２持ち、高温側のクリープ破断強
度を、更に向上させる場合添加する。しかし、あまりｗ
２多量に添加することは経済的でないことと、反ってＭ
ｏの効果を低減せしめることになり好ましくない。従っ
て上限を３％とした。

Ｎは不可避的元素として０．０２％未満を含有する。Ｃ
とほぼ同様な作用をし、地鉄の強度を上げる効果やＮｈ
、Ｖ等と結びついて、Ｎｂ（Ｃ，Ｎ）、Ｖ（Ｃ、Ｎ）と
なり、クリープ破断強度の向上や、本発明の効果の１つ
である。加熱の際のＮｂ（Ｃ。

Ｎ）のピンニング効果によるオーステナイト粒、度成長
抑制効果があるが、添加量が多いと靭性全低下させる危
険性がある。これら全充分に満足する限界量は０．０２
〜０．０４％であり、Ｎを意識的に含有させる場合は、
合計Ｎとして０．０２〜０．０４チとした。

次に本発明における製造条件の限定についてその理由を
説明する。

先ず、本発明に於ては、前述の如き化学成分を有する鋼
全、ローターとして成形するのであるが、成形方法は特
に指定しないが、適正な条件下での鍛造及び機械加工に
よるのが好ましい。

成形後所定の機械的性質を確保する目的で熱処理を行う
が、この場合の焼入前の加熱温度は１０００〜１１００
Ｃと規定した。下限を１００００と決めたのは、Ｃｒ　
、　Ｖ　、　Ｎｂ　、　Ｗ　、　Ｍｏ等の炭化物、炭・
窒化物の地鉄中への溶解を行い、焼戻時及び高温使用時
に、これらの析出を継続させて、クリープ破断強度を確
保する目的であり、１０００Ｃ未満ではこれら炭化物、
炭窒化物の溶解が不充分であるからである。

又一方、上限Ｔｈ１ｌＯＯＣと決めたのは、先述のＮｂ
　（Ｃ、Ｎ　）の加熱時のピンニング効果によるオース
テナイト粒成長抑制の目的からであり、１１００Ｃ超の
加熱温度ではＮｂ　（Ｃ、Ｎ　）が完全に溶解して、こ
の効果が期待出来ないからである。

加熱時の加速冷却は、本発明に規定する化学成分の鋼は
、極めて焼入性がよ（、充分に焼入深度が得られ易いた
め、油焼入れ、圧搾気体や気水冷却による冷却などの緩
冷却も好ましいが、特に規定はしない。要は均一な焼入
組織を得るように、管理された手段であればよい。

又加速冷却の終了温度は、焼入組織が全断面で得られる
ような温度が必要であり、特に限定はしないが、好まし
いのは２００Ｃ以下である。

次に加速冷却後焼戻しを行うが、再加熱により６０００
以上の温度に加熱して行う。これは硬化組織の軟化と、
それに付随する高靭化及び固溶してい之Ｃｒ　、　Ｖ　
、　Ｎｂ　、　Ｍｏ或いはＷの炭化物、炭窒化物の微細
析出を目的としたものである。

ここで６００℃以上と限定したのは、６００ｔ：’より
低い温度での焼戻しでは、使用時の高温長時間保持中の
強度の低下が著るしく、所定の目的を達せられなく、又
良好な靭性が期待出来ないからである。又上限は特に規
定しないが、ＡＣ，変態点に達すると、強度、靭性共劣
化するので、工業的に可能な管理条件を考慮して、ＡＣ
，変態点より５０Ｃ以上低い温度とするのが好ましい。

次に本発明の効果を実施例により更に具体的に説明する
。

（実施例） 表１に示す化学成分を有する鋼を溶製し、同表欄外に示
す方法で鋼片を作成し、それぞれ表２に示す製造条件で
加熱、加速冷却焼戻を行い試、験に供した。靭性につい
ては、長時間加熱脆化試験として、５５０’ＣＸ１００
０時間保定の熱処理を行って、焼戻後と比較した。

試１験結果を表２に併せて示す。

これらＫよって、本発明（でよるＡ１〜Ａ　１０の鋼は
、いずれも本発明の目的とする長時間加熱脆化の少い、
これも高いクリープ破断強度を兼ね備えた鋼が得られて
いることがわかる。

これに対し、煮１１〜扁１５は、化学成分が本発明の規
定値より外れｔもの、屋１６〜１７は、化学成分が本発
明の規定には入っているものの、本発明の規定する製造
条件に外れており、いずれも長時間加熱後の・靭性が劣
る結果を示しており、本発明の効果による差が顕著に示
されている。

（発明の効果） μ上の実施例からみても明らかな如く１本発明てよれば
、従来法により得られた鋼に比して、長時間加熱脆化が
少（、しかもクリープＭ断強度の高い耐熱ローター全製
造することが出来、産業上の効果は顕著なものがある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％で、Ｃ０．１５〜０．２５％、Ｓｉ０．１０
   ％以下、Ｍｎ０．３０％以下、Ｐ０．０１５％以下、Ｓ
   ０．０１０％以下、Ｎｉ１．０％以下、Ｃｒ９〜１３％
   、Ｍｏ１〜３％、Ｖ０．１５〜０．３０％、Ｎｂ０．０
   ２〜０．０７％、Ａｌ０．０１５％以下、Ｓｂ、Ｓｎの
   合計が０．００３５％以下であり、必要に応じてＣａ０
   ．００１〜０．００４％を含み、残部がＦｅと不可避的
   不純物からなる鋼を成形後、１０００〜１１００℃に加
   熱、加速冷却を行った後、６００℃以上に再加熱して製
   造することを特徴とする加熱脆化の少いローターの製造
   法。 ２、化学成分に更に必要な重量％でＢ０．０００５〜０
   ．００５％、Ｗ３％以下、Ｎ０．０２〜０．０４％の１
   種又は２種以上を添加したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の耐熱ローターの製造法。