JPS6283449A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は４５０Ｃ〜５００℃において高いクリープ破断
強度を、室温において高い靭性を有し。

５００℃以下の温度で使用する回転体に好適な新ガスタ
ービン及び蒸気タービンの回転体（ホイール、ロータシ
ャフト、ブレード）には、４５０℃以下の温度では１２
　Ｃｒ　−２、５Ｎ　ｉ　−１，８Ｍ　ｏ　−０、３５
Ｖ鋼（Ｍ１５２鋼）が、５００℃以上では１２　Ｃｒ　
−Ｉ　Ｍ　ｏ　−Ｉ　Ｗ　−０、２５Ｖ（Ｃｒｕｃｊ、
ｂｌｅ４２２鋼）が広く用いられ好成績を納めている。

最近、ガスタービンは高温・高速化の傾向にあり、高温
部材の使用条件も厳しくなってきた。ガスタービンホイ
ール材としては、４５０℃、１０５ｈクリープ破断強度
が５０　ｋｇ／　ｍｍ２以上で、室温Ｖノツチシャルピ
ー衝撃値が３　ｋｇ　−ｍ以上の高強度・高靭性耐熱鋼
が要求されている。

ディスク材としては、現流ガスタービンに用いられてい
るＣ　ｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｖ鋼及び１２Ｃｒ−２，５Ｎ　
ｊ、　−１、８Ｍ　ｏ　−０、３５Ｖ鋼（Ｍ１５２鋼）
では強度不足で、これよりも高強度で且つ靭性の高い材
料が必要である。クリープ破断強度の点では、Ｎｉ基合
金及びＧｏ基合金が優れているが、これらの合金はコス
トが著しく高い上に、加工性（鍛造性、切削性）が悪く
、靭性が低い欠点がある。

現流ガスタービンに用いているＣ　ｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｖ
鋼ディスク材は、４５０℃、１０’ｈ　　クリープ破断
強度が２９〜３９ｋｇ／＋ｍ”、　３００℃０．０２％
耐力が５５ｋｇ／ｎｗｎ”であり、高温強度不足である
。

また前述の現有Ｍ１５２鋼でも靭性は満足するがクリー
プ破断強度が不足である。

特開５６−１５８８４７にマルテンサイト鋼が使用され
ることが公知である。しかし、この材料では４５０℃に
おける強度と靭性との両方兼ね備えたものではない。

従来、ガスタービンホイール及び蒸気タービンロータに
はｌＣｒ−ｌＭｏ　　０．２５Ｖ　＠が広く用いられて
いるが、この４５０℃、１０’ｈ　　クリープ破断強度
は２９〜３９ｋｇ／ｍｎ”であり、高温・高速ガスター
ビンホイール材としては高温強度不足である。また前述
の現有１２Ｃｒ系耐熱鋼でも、１２Ｃｒ−ＩＭｏ−ＩＷ
−０，２５Ｖ鋼ではクリ分であるがクリープ破断強度不
足である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、４５０〜５００℃で高いクリープ破断
強度と室温で高い靭性を有する耐熱鋼を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明は、４５０℃、１０”ｈ　　クリープ破断強度５
０ｋｇ／ｎｗｎ”以上、室温Ｖノツチシャルピー衝撃吸
収エネルギー３　ｋｇ　−ｍ以上の高強度・高靭性芝有
し、以下のイ６イ維入（豊量りＬ［Ｔ）。

Ｇ　　　０．０７〜０．１６％　Ｖ　　　０．１〜０．
３％Ｓｉ０．３％以下　Ｎｂ又は／及びＴ　ａ　０．０
３〜０．１５％Ｍｎ１．５％以下　Ｎ　　　０．０２〜
０．１０％Ｎｉ　］、３３〜１．９％残部　Ｆｓ （、ｒ９　〜１３　　％ Ｍｏ　　１．３〜１．９％ また次に示す式で計算されるＣｒ当量が１０以下に成分
調整し、金属組織をδフェライトが含まない焼戻しマル
テンサイト組織ｔこすることにより、使用中脆化が著し
く少なくなることも究明された。

Ｃｒ当量＝−４０Ｃ−ＺＭｎ−４Ｎｉ−３ＯＮ−２Ｃｏ
＋６８ｉ十Ｃｒ　＋４Ｍｏ　＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎ
　ｂ　＋２．５Ｔ　ａ（ここで成分は重量％） さらに上記組成にＣＯを添加すると衝撃吸収エネルギー
が若干低くなるもののクリープ破断強度が向上すること
、Ｎｂの代わりにＴａを添加しても本発明の目的が達成
されることが実験的に求明された。

本発明鋼の熱処理はまず完全なオーステナイトに変態す
るに充分な温度、最低１０００℃、最高１１００℃に均
一加熱し全マルテンサイト組織が得られる１００℃／ｈ
以上、好ましくは３５０〜ｂの温度に加熱保持し第１次
焼戻しし、次いで５５０℃〜６３０℃の温度に加熱保持
し第２次焼戻しを行う。焼入れは油中、水噴霧等によっ
て行われる。

高速回転体の破壊要因の一つに脆性破壊が上げられる。

この脆性破壊に対する抵抗はＶノツチシャルピー衝撃吸
収エネルギーの高い材料はど優れている。高温回転体で
最も重要なのはクリープ破断強度であり、設計許容応力
は１０万時間クリープ破断強度で決定することが多い。

そこで本発明材の高温強度は一例として高温・高速ガス
タービンディスク材のメタル温度である４　５０℃にお
ける１−Ｏ万時間クリープ破断強度が５０　ｋｇ／　ｍ
ｍ２以上有しなければならない。好ましくは５３　ｋｇ
／　ｍｍ”以上である。また、ガスタービンディスクは
起動時は室温であるので、室温で急速回転による強い衝
撃を受けることから室温でのＶノツチシャルビ−値が３
　ｋｇ　−ｍ以上でなければならない。好ましくは４　
ｋｇ　−ｍ以上である。更に、好ましくは高速回転を受
け、メタル温度が約３００℃で最大熱応力が発生するの
で、０．０２％耐力が７０ｋｇ／ｍ”以上有するものが
好ましい。５０％衝撃脆性破面遷移温度が４０℃以下が
好ましく特に３０℃以下がよい。

本発明のガスタービンディスクに係るマルテンサイト鋼
は全焼戻しマルテンサイト組織を有しており、前述の組
成に対して、Ｗ２％以下、ＡＱＯ１２％以下、Ｔｉ０．
５％以下、Ｚｒ０．５％以下、その他Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、
Ｃｅ等の希土類元素０．３％以下の少なくとも１種を含
むことができる。更り、−Ｗｏ、２〜１．０％、Ａｌ１
１０．０１〜０．１％、Ｔｉ　０．０５〜０．２％、Ｚ
ｒ０．０５〜０．２％、Ｃａ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ等の希土
類元素０．０５〜０．１５％の少なくとも１種含むこと
が好ましい。

本発明のマルテンサイト系鋼の成分範囲限定理由につい
て説明する。Ｃは高い引張強さと耐力を得るために最低
０．０７％必要である。しかしありま多くすると、高温
に長時間さらされた場合に金属組織が不安定になり、ク
リープ強度を低下させるので０．１６％以下が好ましい
。最も０．０９〜０．１３％　が好ましい。

Ｓｉは脱酸剤、Ｍｎは脱酸・脱硫剤として鋼の溶製の際
に添加するものであり、少量でも効果がある。Ｓｉはδ
フェライト生成元素であり、多量解法などによればＳｌ
添加の必要がない。Ｓｉは最も０．０７％以下が好まし
い。多量のＭｎ添加は高温強度を低下させるので１．５
％以下が好ましい。特に０．５〜０．９％が好ましい。

Ｃｒは耐食性と高温強度を高めるが１３％を越えて添加
するとδフェライト組織生成の原因になる。８％より少
ないと耐食性及び高温度が不十分なので、Ｃｒは８〜１
３％が好ましい。特に１０．５〜１１．５％　が好まし
い。

ＭＯは固溶及び析出強化作用によってクリープ破断強度
を高めると同時に脆化防止効果がある。

１．０％未満ではクリープ破強度向上効果が不十分であ
り、２．５％を越えるとδフェライト生成原因になる。

１．３〜１．９％が好ましい。特に１．４５〜１．７５
　が好ましい。

■及びＮｂは炭化物及び窒化物を析出し高温強度を高め
ると同時に靭性向上効果がある。７０１１％及びＮｂ０
．０３％未満ではその効果が不十分であり、Ｖｏ、３％
及びＮｂ０．１５％　を越えるとδフェライト生成の原
因となると共にクリープ破断強度が低下傾向を示すよう
になる。特にＶＯ１１５〜０．２０％、Ｎｂ０．０４〜
０．０８％が好ましい。

Ｎｉは靭性を高め、かつδフェライト生成の防止効果が
あるが、１．３％以下ではその効果が十分でなく、２．
３％　を越えるとクリープ破断強度を低下させる。１．
４〜２．０％が好ましく、特に１．５％　を越えるＮｉ
量が好ましい。

Ｃｏ添加は靭性を若干低める作用があるものの、固溶強
化作用によりクリープ強度を高める効果があり、４％以
下含有される。またδフェライト生成防止効果もある。

好ましくは１．５％以上ではクリープ破断強度向上効果
が高く、４％を越える添加は靭性を著しく低下させる。

Ｗは２％以下でクリープ破断強度向上効果があるが０．
１％以下では十分でなく、０．２％〜１．０％が好まし
く、特に０．５％以下が好ましい。

ＴａはＮｂと同じくクリープ強度及び靭性向上効果があ
る。０．０３％未満ではその効果が不十分であり、０．
１５％　を越えるとδフェライト生成の原因になる。

〔発明の実施例］ 第１表に示す組成の試料をそれぞれ１０ｋｇ溶解し、　
１１５０℃に加熱し鍛造し実験素材とした。この素材に
第１表に示すような熱処理を施した。熱処理後の素材か
らクリープ破断試験片引張試験片及びＶノツチシャルピ
ー衝撃試験片を採取し実験した。

第１表において、賦香１，３，４及び５は水弁明材であ
り、Ｎα２，６及び７は比較材である。比較材６はガス
タービンホイール及び蒸気タービンブレードに使用され
ている材料である。

第２表はこれら試料の機械性試験結果を示す。

引張強さ及び耐力は室温（２０℃）での値である。

表に示すように、比較のＮα５の衝撃吸収エネルギ特に
４５０．１０”ｈ　　クリープ破断強度が５３．８ｋｇ
　／　ｍｍ　”以上と高く、更に衝撃吸収エネルギーが
平均で３　、６　ｋｇ　−ｍ以上と高く、高温・高圧ガ
スタービン用材とし必要な強度・靭性を十分満足するこ
とが確認された。その他第３表に示すように３００℃で
の引張強さ、０．０２％耐力、伸び及び絞り、更に５０
０℃、１０δｈ　クリープ破断強度においても本発明に
係る鋼は比較のものにくらべ顕著に優れている。

（ｌ幻 第１図は、本発明に係るマルテンサイト鋼のＮｉ量と４
５０℃、１０”ｈ　　クリープ破断強度との関係を示す
線図である。図に示す如く、Ｎｉ含有量が２％付近まで
は５５ｋｇ／ｍｎ”のほぼ一定の強度を有し、２．３％
以下で５０　ｋｇ／　ｍｍ２以上の強度を有するが、２
．３％を越える含有量では急激に強度が低下する。

第２図は同じ＜Ｎｉ量とＶノツチシャルピー衝撃値との
関係を示す線図である。図に示す如く、Ｎｉ含有量の増
加によって衝撃値が急増し、特に１．３％以上での効果
が大きいことが明らかである。更に、１．４〜１．６％
における衝撃値の向上が顕著であり、これ以上での効果
が顕著である。

第３図は（Ｎｉ／Ｃ）比とクリープ破断強度との関係を
示す。図に示す如く、（Ｎ　ｉ　／　Ｃ）比とクリープ
破断強度との間に密接な関係があり、（Ｎ　ｉ　／　Ｃ
）比が７〜１６のときに最も強度が高いものが得られる
ことが分る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、４５０〜５００℃クリープ破断強度及
び室温衝撃吸収エネルギーが著しく優れており、４５０
〜５００℃で使用する高速回転体用材料として顕著な効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＮｉ量とクリープ破断強度との関係を示す線図
、第２図はＮｉ量と衝撃値との関係を示す線図及び第３
図は（Ｎｉ／Ｃ）比とクリープ破断強度との関係を示す
線図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量比で、Ｃ０．０７〜０．１６％、Ｓｉ０．３％
   以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｎｉ１．３〜１．９％、Ｃｒ
   ８〜１３％、Ｍｏ１．３〜１．９％、Ｖ０．１〜０．３
   ％、Ｎｂ及びＴａの単独又は複合で０．０３〜０．１５
   ％及びＮ０．０２〜０．１０％を含有し、残部がＦｅか
   らなる鋼であつて、該鋼は４５０℃、１０＾５時間クリ
   ープ破断強度が５０ｋｇ／ｍｍ＾２以上、２５℃、Ｖノ
   ツチシヤルピー衝撃値が３ｋｇ−ｍ以上の特性を有する
   ことを特徴とする耐熱鋼。 ２、重量比で、Ｃ０．０７〜０．１６％、Ｓｉ０．３％
   以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｎｉ１．３〜１．９％、Ｃｒ
   ８〜１３％、Ｍｏ１．３〜１．９％、Ｖ０．１〜０．３
   ％、０．０３〜０．１５Ｎｂ及びＴａのいずれか又は両
   方を０．０３〜０．１５％、Ｎ０．０２〜０．１０％、
   Ｃｏ４％以下及びＷ０．１〜０．５％の単独又は複合で
   含有し、残部がＦｌからなる鋼であり、該鋼は４５０℃
   、１０＾５ｈクリープ破断強度が５０ｋｇ／ｍｍ＾２以
   上を、２５℃、Ｖノツチシヤルピー衝撃吸収エネルギー
   が３ｋｇ−ｍ以上である特性を有することを特徴とする
   耐熱鋼。 ３、特許請求の範囲第１又は第２項記載において、前記
   鋼はδフェライト量が実質的に零である全焼戻しマルテ
   ンサイト組織を有する耐熱鋼。 ４、特許請求の範囲第１項〜第３項に記載のいずれかに
   おいて、次式で計算されるＣｒ当量が９以下である成分
   が調整される耐熱鋼。 ［Ｃｒ当量＝−４０Ｃ−２Ｍｎ−４Ｎｉ−３０Ｎ−２Ｃ
   ｏ＋６Ｓｉ＋Ｃｒ＋４Ｍｏ＋１．５Ｗ＋１１Ｖ＋５Ｎｂ
   ＋２．５Ｔａ］５、特許請求の範囲第１項〜第３項に記
   載のいずれかにおいて、前記鋼は、完完全なオーステナ
   イトに変態するに充分な温度１０００℃〜１１００℃に
   均一加熱され、該温度より全マルテンサイト組織が得ら
   れる１００℃／ｈ以上の速度で急冷され、次いで４５０
   ℃〜６００℃の温度に加熱保持する第１次焼戻し及び５
   ５０℃〜６５０℃の温度に加熱・保持する第２次焼戻し
   が施され、４５０℃、１０＾５ｈクリープ破断強度が５
   ０ｋｇ／ｍｍ＾２を、Ｖノツチシヤルピー衝撃吸収エネ
   ルギーが３ｋｇ−ｍ以上の特性が得られるように熱処理
   されている耐熱鋼。