JPS6341981B2 - - Google Patents

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JPS6341981B2
JPS6341981B2 JP12530680A JP12530680A JPS6341981B2 JP S6341981 B2 JPS6341981 B2 JP S6341981B2 JP 12530680 A JP12530680 A JP 12530680A JP 12530680 A JP12530680 A JP 12530680A JP S6341981 B2 JPS6341981 B2 JP S6341981B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cavitation
phase
erosion resistance
erosion
resistance
Prior art date
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Expired
Application number
JP12530680A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5751245A (en
Inventor
Masao Yamamoto
Takashi Ebitani
Mitsuo Kawai
Hiroshi Pponma
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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Priority to US06/274,481 priority patent/US4431446A/en
Publication of JPS5751245A publication Critical patent/JPS5751245A/en
Publication of JPS6341981B2 publication Critical patent/JPS6341981B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、水力発電用水車ランナ、ガイド・ベ
ーン・ステー・ベーン、船舶用プロペラ、および
各種ポンプ等に使用される耐食材料に関する。 近年、エネルギーの有効利用の見地から、比較
的短時間で出力調整が可能な水力発電、特に夜間
の余剰電力を有効に利用できる揚水発電プラント
の建設が盛んである。しかも水力発電プラントは
建設地点の限定、単機容量に対する建設費の低
減、発電効率の向上などの点から、大容量化され
る傾向にあり、揚水発電においては高落差化、高
揚程化が進んでいる。 従来、水車ランナ材、ガイド・ベーン材、ステ
ー・ベーン材などには比較的多量のNiを含むマ
ルテンサイト系13%Crステンレス鋼鋳鋼が使用
されているが、高揚程化や流速の増大をまねく高
落差化はキヤビテーシヨンの発生を増大させ水車
ランナのキヤビテーシヨン・エロージヨンを加速
させるという問題を生じていた。 また、船舶用のプロペラ材は銅合金からより軽
量化が可能な、13%Crステンレス鋼への移行が
行なわれているが、推進器の大型化、高速化に伴
い船舶用プロペラのキヤビテーシヨン・エロージ
ヨンは加速されている。 マルテンサイド系13%Crステンレス鋼鋳鋼の
耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性は、Ni量
が9%程度までの範囲において、Ni量の増加と
ともに改善されることは知られているが、9%程
度のNiを含む鋳鋼でも、その耐キヤビテーシヨ
ン・エロージヨン性は、オーステナイト系ステン
レス鋼程度である。 一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の耐キ
ヤビテーシヨン・エロージヨン性は、マルテンサ
イト系13%Crステンレス鋼鋳鋼よりも優れてい
るが、この材料は耐力が低いことから水車ランナ
本体に適用する場合、製造工程を複雑にするた
め、水車ランナ羽根表面などのキヤビテーシヨ
ン・エロージヨン損耗の著しい部位に肉盛溶接さ
れて使用されている。しかしながら、肉盛溶接材
においてもさらに優れた耐キヤビテイーシヨン・
エロージヨン性が必要とされている。 このように水力発電用材料は、船舶用推進器、
各種ポンプ等の使用状態が苛酷になるにつれ、従
来材よりも耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性
がさらに優れた材料が要望されてきた。 このような点に鑑み、本発明は耐キヤビテーシ
ヨン・エロージヨン性がオーステナイト系ステン
レス鋼(SUS304)より優れた耐食材料を提供す
ることを目的としている。 本発明はCr―Ni系ステンレス鋼に所定量Mnを
含有せしめ素地中にフエライト相を含むことなく
イプシロン相(以下ε相と記す)あるいはオース
テナイト相(以下γ相と記す)を形成させること
により、耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を
向上させるものである。すなわち、重量%で10〜
20%のCr,0.5〜10%のNiを含む鋼に2%を越え
20%以下のMnを含有させ、素地中にフエライト
相を含むことなくε相あるいはγ相を形成させた
鋼の耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性が
SUS304オーステナイト系ステンレス鋼の耐キヤ
ビテーシヨン・エロージヨン性より優れているこ
とを見い出した。この場合、素地中にフエライト
相が混在すると、その耐キヤビテーシヨン・エロ
ージヨン性は著しく劣化することから素地中には
フエライト相を含まないことが必要である。 またCはMn,Niとともにε相やγ相を形成さ
せ耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を向上さ
せる。 すなわち、本発明に係るマルテンサイト系ステ
レンス鋼のC量を高めると素地組織中にはε相や
γ相が形成され耐キヤビテーシヨン・エロージヨ
ン性は著しく改善される。さらに該鋼にMoある
いはCoを添加すると耐キヤビテーシヨン・エロ
ージヨン性はさらに改善される。 以下、特許請求の範囲の限定理由を述べる。 炭素(C);炭素はε相やγ相を形成させ耐キヤビ
テイーシヨン・エロージヨン性を向上させるため
に必要な元素であるが過剰の添加は耐食性を害す
ることから上限を0.2%とする。 ケイ素(Si);ケイ素は鋼溶製時の湯流れ性を
改善し、また溶接性を改善するために必要である
が、過剰の添加は靭性を害することから、上限を
2.0%とする。 クロム(Cr);クロムは耐食性を向上させるた
めに、10%以上の添加が必要であるが過剰の添加
は素地中にフエライトを生成させ耐キヤビテーシ
ヨン・エロージヨン性を低下させることから上限
を20%とする。 ニツケル(Ni);ニツケルは耐キヤビテーシヨ
ン・エロージヨン性、靭性を向上させるに必要な
元素で0.5%以上の添加が必要であるが、多量に
添加しても効果は大きくなり、コスト上昇になる
ため、上限を10%とした。 マンガン(Mn);マンガンはε相やγ相を形
成させ耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を向
上させるために特に重要な元素であるが、2%以
下ではその効果は十分でないことから2.0%を越
える添加が必要である。しかし過剰の添加は湯流
れ性を悪くすることから上限を20%とする。 モリブデン(Mo);モリブデンは耐キヤビテ
ーシヨン・エロージヨン性、耐食性を向上させる
ために必要であるが、過剰の添加は靭性を害する
ことから上限を2.0%とする。 コバルト(Co);コバルトは耐キヤビテーシヨ
ン・エロージヨン性を向上させるために0.5%以
上の添加が必要であるが、多量に添加しても効果
は大きくなく、コスト上昇になるため上限を5.0
%とした。 組織;特許請求の範囲にある組成を有する鋼の
耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性は素地中に
ε相あるいはγ相を含む場合に著しい効果を示す
ことから該鋼の組織中にはε相あるいはγ相を含
ことが必要である。この場合、組織中にフエライ
ト相が混在すると耐キヤビテーシヨン・エロージ
ヨン性は著しく低下することから、フエライト相
を含まない必要がある。 本発明は高い耐力を必要としない耐キヤビテー
シヨン・エロージヨン用部材としてはもちろん、
水車ランナ、ガイド・ベーン、ステー・ベーン等
の水力発電用機器、船舶用プロペラ、各種ポンプ
等のキヤビテーシヨン・エロージヨン発生部位へ
の肉盛溶接材として使用できる他、発電プラント
のモイスチヤ・セパレータ・リヒータのパイプ等
耐エロージヨン性が要求される部位にも幅広く使
用できる耐食材料である。 以下実施例をもつて本発明鋼を説明する。 真空高周波誘導溶解炉により第1表に示す化学
組成の試料を溶製した。実施例1〜3の試料につ
いては、1100℃,2時間の溶体化処理後空冷し
た。比較例1は市販のSUS304で上記と同様の熱
処理を施して使用した。また、比較例2〜4は、
従来ランナ材に適用されている熱処理相当の熱履
歴として、1100℃、2時間の溶体化処理を行なつ
たのち、さらに650℃、2時間の焼戻しを行なつ
たものである。
The present invention relates to corrosion-resistant materials used in water turbine runners for hydroelectric power generation, guide vanes, stay vanes, marine propellers, various pumps, and the like. In recent years, from the standpoint of effective energy use, construction of hydroelectric power plants that can adjust output in a relatively short period of time, especially pumped storage power plants that can effectively utilize surplus electricity at night, has been active. In addition, hydropower plants tend to have larger capacities due to limitations on construction sites, lower construction costs relative to single-unit capacity, and improved power generation efficiency, and pumped storage power generation is becoming higher in head and head. There is. Conventionally, martensitic 13% Cr stainless steel cast steel containing a relatively large amount of Ni has been used for water turbine runner materials, guide vane materials, stay vane materials, etc., but this leads to higher head and flow velocity. Higher head increases the occurrence of cavitation, causing problems such as accelerating cavitation and erosion of the water turbine runner. In addition, propeller materials for ships are shifting from copper alloys to 13% Cr stainless steel, which is lighter in weight. is being accelerated. It is known that the cavitation and erosion resistance of martenside type 13% Cr stainless steel cast steel improves as the Ni content increases up to about 9% Ni. Even with cast steel containing aluminum, its cavitation and erosion resistance is comparable to that of austenitic stainless steel. In general, the cavitation and erosion resistance of austenitic stainless steel is better than that of martensitic 13% Cr stainless steel cast steel, but this material has a low yield strength, which complicates the manufacturing process when applied to the turbine runner body. To achieve this, it is used by overlay welding on areas where cavitation/erosion wear is significant, such as the surfaces of water turbine runner blades. However, even better cavitation resistance is achieved in overlay welding materials.
Erosion properties are required. In this way, hydroelectric power generation materials can be used for marine propulsors,
As the usage conditions of various pumps and the like become more severe, there has been a demand for materials with even better cavitation and erosion resistance than conventional materials. In view of these points, an object of the present invention is to provide a corrosion-resistant material that has better cavitation and erosion resistance than austenitic stainless steel (SUS304). The present invention incorporates a predetermined amount of Mn into Cr-Ni stainless steel to form an epsilon phase (hereinafter referred to as ε phase) or an austenite phase (hereinafter referred to as γ phase) without containing a ferrite phase in the matrix. This improves cavitation and erosion resistance. i.e. 10 to 10% by weight
More than 2% in steel containing 20% Cr, 0.5-10% Ni
Cavitation and erosion resistance of steel containing 20% or less Mn and forming ε phase or γ phase without containing ferrite phase in the matrix
It was found that the cavitation and erosion resistance is superior to that of SUS304 austenitic stainless steel. In this case, if a ferrite phase coexists in the matrix, the cavitation and erosion resistance will be significantly deteriorated, so it is necessary that the matrix does not contain a ferrite phase. Further, C forms ε phase and γ phase together with Mn and Ni, thereby improving cavitation and erosion resistance. That is, when the C content of the martensitic stainless steel according to the present invention is increased, ε phase and γ phase are formed in the base structure, and the cavitation and erosion resistance is significantly improved. Furthermore, when Mo or Co is added to the steel, the cavitation and erosion resistance is further improved. The reasons for limiting the scope of the claims will be described below. Carbon (C): Carbon is a necessary element to form ε and γ phases and improve cavitation and erosion resistance, but excessive addition impairs corrosion resistance, so the upper limit is set at 0.2%. Silicon (Si): Silicon is necessary to improve the flowability and weldability of steel during melting, but since excessive addition impairs toughness, the upper limit must be set.
2.0%. Chromium (Cr): Chromium needs to be added in an amount of 10% or more to improve corrosion resistance, but excessive addition will cause ferrite to form in the base material and reduce cavitation and erosion resistance, so the upper limit is set at 20%. do. Nickel (Ni): Nickel is an element necessary to improve cavitation resistance, erosion resistance, and toughness, and it is necessary to add 0.5% or more, but even if added in large amounts, the effect will be greater and the cost will increase. The upper limit was set at 10%. Manganese (Mn): Manganese is a particularly important element for forming ε and γ phases and improving cavitation and erosion resistance, but if it is less than 2%, the effect is not sufficient, so it is not recommended to add more than 2.0%. is necessary. However, the upper limit is set at 20% because excessive addition impairs the flowability of the metal. Molybdenum (Mo): Molybdenum is necessary to improve cavitation/erosion resistance and corrosion resistance, but since excessive addition impairs toughness, the upper limit is set at 2.0%. Cobalt (Co): Cobalt needs to be added in an amount of 0.5% or more to improve cavitation and erosion resistance, but even if added in large amounts, the effect is not large and costs increase, so the upper limit has been set at 5.0%.
%. Structure: The cavitation and erosion resistance of steel having the composition described in the claims is significantly effective when the base material contains ε phase or γ phase. It is necessary to include In this case, if a ferrite phase coexists in the structure, the cavitation and erosion resistance will be significantly reduced, so it is necessary not to contain a ferrite phase. The present invention can be used as a cavitation/erosion resistant member that does not require high yield strength.
It can be used as a build-up welding material for cavitation/erosion areas of hydraulic power generation equipment such as water turbine runners, guide vanes, stay vanes, etc., marine propellers, various pumps, etc., and can also be used for overlay welding on areas where cavitation/erosion occurs in water turbine runners, guide vanes, stay vanes, etc., as well as for moisture separators, reheaters, etc. in power generation plants. It is a corrosion-resistant material that can be widely used in pipes and other areas where erosion resistance is required. The steel of the present invention will be explained below with reference to Examples. Samples having the chemical compositions shown in Table 1 were melted using a vacuum high-frequency induction melting furnace. The samples of Examples 1 to 3 were solution treated at 1100° C. for 2 hours and then cooled in air. In Comparative Example 1, commercially available SUS304 was used after being subjected to the same heat treatment as above. In addition, Comparative Examples 2 to 4 are
The heat history equivalent to the heat treatment conventionally applied to runner materials was solution treatment at 1100°C for 2 hours, followed by tempering at 650°C for 2 hours.

【表】 キヤビテーシヨン・エロージヨン試験は、電歪
振動法により周波数65KHz、振幅100μm、25℃の
純水中で180分行ない、次式によりキヤビテーシ
ヨン・エロージヨン指数(C.E.I)を求めた。 C.E.I.=キヤビテーシヨン・エロージヨン減量(g)
/試験時間(分)×比重×106 また光学顕微鏡観察、熱膨張測定、X線回折に
より各試料の相を決定した。 第2表の実施例1〜3は本発明に係る耐食材料
であり、また比較例1は従来肉盛溶接材として使
用されているSUS304オーステナイト系ステンレ
ス鋼(γ相)、比較例2は水車ランナ用材料とし
て使用されている13%Cr―3.5%Niマルテンサイ
ト系ステンレス鋼(α′相)である。
[Table] The cavitation/erosion test was conducted using the electrostrictive vibration method at a frequency of 65 KHz, an amplitude of 100 μm, and 180 minutes in pure water at 25°C, and the cavitation/erosion index (CEI) was determined using the following formula. CEI = cavitation erosion weight loss (g)
/test time (minutes) x specific gravity x 10 6 The phase of each sample was also determined by optical microscopic observation, thermal expansion measurement, and X-ray diffraction. Examples 1 to 3 in Table 2 are corrosion-resistant materials according to the present invention, Comparative Example 1 is SUS304 austenitic stainless steel (γ phase) conventionally used as an overlay welding material, and Comparative Example 2 is a water turbine runner. This is a 13%Cr-3.5%Ni martensitic stainless steel (α' phase) used as a material.

【表】 実施例1〜3の組織中にはε相あるいはγ相を
含んでおり、そのC.E.I.は従来耐キヤビテーシヨ
ン・エロージヨン性に優れているとされている
SUS304(比較例1)より著しく小さく、本発明
に係る耐食材料は優れた耐キヤビテーシヨン・エ
ロージヨン性を有していることがわかる。 ところで、本発明に係る耐食材料は耐キヤビテ
ーシヨン・エロージヨン性に優れていることに加
え耐力が低く、実施例1は耐力が11Kg/mmと
SUS304より低いことから、肉盛溶接材として適
している。 なお実施例1,2中には多少のα′相(マルテン
サイト相)を含む事もあるが、ε相の存在により
優れた耐食性を示す。また実施例3中にはε相を
含む事もある。この様に本発明においてはフエラ
イト相を含む事なく、ε相、γ相を含んでいれば
よいが、実用上、ε相、γ相が多い程優れた耐食
性を示す。 以上説明した如く、本発明に係る耐食材料は優
れた耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を有し
水力発電用水車ランナ、ガイド・ベーン、ステ
ー・ベーン、船舶用プロペラ、および各種ポンプ
等、耐キヤビテーシヨン・エロージヨン性を要求
される材料として適したものと言える。
[Table] The structures of Examples 1 to 3 contain ε phase or γ phase, and their CEI is conventionally considered to have excellent cavitation and erosion resistance.
It is significantly smaller than SUS304 (Comparative Example 1), indicating that the corrosion-resistant material according to the present invention has excellent cavitation and erosion resistance. By the way, the corrosion-resistant material according to the present invention not only has excellent cavitation and erosion resistance but also has low yield strength, and Example 1 has a yield strength of 11 kg/mm.
Since it is lower than SUS304, it is suitable as an overlay welding material. Although Examples 1 and 2 may contain some α' phase (martensite phase), they exhibit excellent corrosion resistance due to the presence of the ε phase. Furthermore, Example 3 may include an ε phase. As described above, in the present invention, it is sufficient to contain the ε phase and the γ phase without containing the ferrite phase, but in practice, the more the ε phase and the γ phase, the better the corrosion resistance. As explained above, the corrosion-resistant material according to the present invention has excellent cavitation and erosion resistance, and can be used in water turbine runners for hydroelectric power generation, guide vanes, stay vanes, marine propellers, various pumps, etc. It can be said that it is suitable as a material that requires

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 重量パーセントで0.20%以下の炭素、2.0%
以下のケイ素、10〜20%のクロム、0.1〜10%の
ニツケル、2%を越え20%以下のマンガン、2.0
%以下のモリブデン、0.5〜50%のコバルト残部
が実質的に鉄からなりかつ組織中にフエライト相
を含むことなくイプシロン相あるいはオーステナ
イト相を含むことを特徴とする耐食材料。
1 Carbon not more than 0.20% by weight, 2.0%
Silicon below, 10-20% chromium, 0.1-10% nickel, more than 2% but less than 20% manganese, 2.0
% or less of molybdenum, the balance of 0.5 to 50% of cobalt is substantially iron, and the structure contains an epsilon phase or an austenite phase without containing a ferrite phase.
JP12530680A 1980-06-17 1980-09-11 Corrosion resistant material Granted JPS5751245A (en)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP12530680A JPS5751245A (en) 1980-09-11 1980-09-11 Corrosion resistant material
DE8181104662T DE3176034D1 (en) 1980-06-17 1981-06-16 A high cavitation erosion resistance stainless steel and hydraulic machines being made of the same
EP81104662A EP0042180B1 (en) 1980-06-17 1981-06-16 A high cavitation erosion resistance stainless steel and hydraulic machines being made of the same
US06/274,481 US4431446A (en) 1980-06-17 1981-06-17 High cavitation erosion resistance stainless steel and hydraulic machines being made of the same

Applications Claiming Priority (1)

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JP12530680A JPS5751245A (en) 1980-09-11 1980-09-11 Corrosion resistant material

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JPS5751245A JPS5751245A (en) 1982-03-26
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JPS6328801A (en) * 1986-07-21 1988-02-06 Kobe Steel Ltd Magnetic powder for electromagnetic clutch
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