KR20140004585A

KR20140004585A - 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강, 증기터빈의 동익 및 증기터빈

Info

Publication number: KR20140004585A
Application number: KR1020130076965A
Authority: KR
Inventors: 레키 다카쿠; 하루키 오니시; 마사유키 야마다; 요리하루 무라타; 겐이치 이마이
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2014-01-13
Also published as: US20140007981A1; EP2682484A3; EP2682484A2; JP2014012863A; CN103526122B; US9702030B2; EP2682484B1; KR101558939B1; JP6049331B2; CN103526122A

Abstract

실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 질량%로, Cr: 8.5 ~ 12.5, Mo: 1 ~ 2, Ni: 8.5 ~ 11.5, Ti: 0.6 ~ 1.4, C: 0.0005 ~ 0.05, Al: 0.0005 ~ 0.25, Cu: 0.005 ~ 0.75, Nb: 0.0005 ~ 0.3, Si: 0.005 ~ 0.75, Mn: 0.005 ~ 1, N: 0.0001 ~ 0.03을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

Description

석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강, 증기터빈의 동익 및 증기터빈{PRECIPITATION HARDENING TYPE MARTENSITIC STAINLESS STEEL, ROTOR BLADE OF STEAM TURBINE AND STEAM TURBINE}

본 발명의 실시형태는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강, 증기터빈의 동익(動翼) 및 증기터빈에 관한 것이다.

발전용 증기터빈에 있어서, 저압단의 터빈 단락에 구비되는 동익은, 발전 효율의 향상 및 발전 용량의 증대를 위해, 블레이드 길이가 증대되는 경향이 있다. 그 때문에, 저압단의 터빈 단락에 구비되는 동익에 대하여는, 고강도, 고인성, 고내식성이 요구된다.

현재 상태의 증기터빈에 있어서의 저압단의 동익을 구성하는 재료로서는, 강도로서 인장 강도가 1300㎫급, 인성(靭性)으로서 실온의 샤르피(Charpy) 흡수 에너지가 40J급의 특성을 갖는 철강 재료가 사용되고 있다. 현재, 동익을 구성하는 철강 재료로서, 보다 강도나 인성이 우수한 것이 요구되고 있다.

동익에는 터빈의 고속 회전에 의한 원심 응력이 작용하기 때문에, 강도에 대해서는 비(比)강도(인장 강도를 밀도로 나눈 것)가 중시되고 있다. 그 때문에, 최근에는, 동익을 구성하는 재료로서, 밀도가 작은 티탄 합금 등도 사용되고 있다. 그러나, 티탄 합금은 고가이기 때문에, 이것을 저렴한 철강 재료로 대체하는 것이 요구된다.

고강도, 고인성, 고내식성을 갖는 철강 재료로서는, 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강이 있으며, 이 스테인리스강에 있어서, 강도, 인성, 내식성 등을 향상시키기 위한 검토가 이루어지고 있다. 이러한 것으로서 일본국 특허공보, 특허 제3227468호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 함) 및 특허 제3962743호 공보(이하, 특허문헌 2라고 함)가 있다.

일본국 특허 제3227468호 공보 일본국 특허 제3962743호 공보

종래의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서는, 일반적으로, 인장 강도를 향상시키면 인성이 저하된다. 그 때문에, 강도와 인성을 양호한 밸런스로 향상시키도록, 다양한 원소가 첨가되고 있다. 그러나, 첨가 원소의 양이 많으면, 마텐자이트 변태 개시 온도가 저하되며, 담금질 시에 잔류 오스테나이트가 생성되기 쉬워진다. 내식성의 향상을 도모하기 위해 Cr의 첨가량을 증가시키면, δ페라이트가 생성되기 쉬워진다.

이렇게 열 처리 프로세스에 있어서의 마텐자이트 조직의 안정성의 유지에는, 복잡한 제약 조건이 있고, 이 제약하에서, 소정의 강도와 인성을 갖는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강이 요구되고 있다.

종래의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서는, 예를 들면 열 처리 과정에 있어서 마텐자이트 변태를 완료시키기 위해서 서브제로 처리(sub-zero treating)를 요할 경우가 있어, 제조 비용이 증가한다고 하는 문제를 갖고 있다. 또한, 종래의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서는, 예를 들면 증기터빈에 있어서의 저압단의 동익의 재료로서 적합한, 충분한 강도나 인성을 얻을 수 없다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 강도 및 인성이 우수한 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강, 이 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용한 증기터빈의 동익 및 증기터빈을 제공하는 것이다.

실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 질량%로, Cr: 8.5 ~ 12.5, Mo: 1 ~ 2, Ni: 8.5 ~ 11.5, Ti: 0.6 ~ 1.4, C: 0.0005 ~ 0.05, Al: 0.0005 ~ 0.25, Cu: 0.005 ~ 0.75, Nb: 0.0005 ~ 0.3, Si: 0.005 ~ 0.75, Mn: 0.005 ~ 1, N: 0.0001 ~ 0.03을 함유하고, 잔부(殘部)가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

도 1은 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용하여 구성된 동익의 사시도.
도 2는 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용하여 구성된 동익을 구비하는 증기터빈의 자오 단면의 일부를 나타낸 도면.

이하, 본 발명의 실시형태에 관하여 설명한다.

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 질량%로, Cr: 8.5 ~ 12.5, Mo: 1 ~ 2, Ni: 8.5 ~ 11.5, Ti: 0.6 ~ 1.4, C: 0.0005 ~ 0.05, Al: 0.0005 ~ 0.25, Cu: 0.005 ~ 0.75, Nb: 0.0005 ~ 0.3, Si: 0.005 ~ 0.75, Mn: 0.005 ~ 1, N: 0.0001 ~ 0.03을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

여기에서, 불가피적 불순물로서는, 예를 들면 P, S, As, Sn, Sb 등을 들 수 있다.

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 다음 식 (1)에 의해 산출된 값이 0.1 이상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

[Cr]/([Cr]+[Fe]) …식 (1)

여기에서, 식 (1) 중의 각 괄호 기재는, 각 괄호 기재 내의 원소의 함유율(질량%)을 의미한다(이하, 식 (2), 식 (3)에 있어서도 마찬가지임).

스테인리스강에 있어서 내식성(내(耐) 전면(全面) 부식성)을 갖기 때문에, 표면에 부동태(不動態) 피막이 형성되는 것이 필요하다. 여기에서, 부동태 피막에 함유되는 Cr의 함유량이 많을 수록 내식성(내 전면 부식성)이 우수하다. 즉, 식 (1)의 값이 클 수록, 내식성(내 전면 부식성)이 우수하다(예를 들면, 부식방식협회 부식 센터 발행, 부식 센터 뉴스 No．048, 2009년 1월).

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서는, 내식성(내 전면 부식성)을 향상시키기 위해서, 식 (1)의 값을 0.1 이상으로 했다. 또한, 식 (1)의 값을 0.11 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 식 (1)의 값의 상한값은, 실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 함유되는 Cr과 Fe의 함유율의 범위로부터 필연적으로 정해진다.

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 다음 식 (2)에 의해 산출된 값이 12.5 이상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

[Cr]+3.3[Mo] …식 (2)

스테인리스강에 있어서, 사용되는 환경에 따라, 부동태 피막이 파괴되어 일어나는 공식(孔食)이라 불리는 부식 현상이 생기는 경우가 있다. 스테인리스강의 내공식성은, 식 (2)에서 나타난 공식 지수(PRE: Pitting Resistance Equivalent)에 의해 평가될 수 있다(예를 들면, 부식방식협회 부식 센터 발행, 부식 센터 뉴스 No．048, 2009년 1월).

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서는, 내공식성을 향상시키기 위해서, 식 (2)의 값을 12.5 이상으로 했다. 또한, 식 (2)의 값을 14 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 식 (2)의 값의 상한값은, 실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 함유되는 Cr과 Mo의 함유율의 범위로부터 필연적으로 정해진다.

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 상기한 식 (1) 및 식 (2)에 따른 조건의 적어도 어느 한 쪽의 조건을 만족시키는 것이 바람직하고, 쌍방의 조건을 만족시키는 것은 보다 바람직하다. 상기한 식 (1) 및 식 (2)에 따른 조건의 적어도 어느 한 쪽을 만족시키는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용하여, 예를 들면 증기터빈의 저압단의 터빈 단락에 구비되는 동익을 구성함으로써, 보다 내식성이 우수한 동익을 얻을 수 있다.

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 다음 식 (3)에 의해 산출된 값이 100 이상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

195-1200([C]-0.006)-23([Cr]-12)-40([Ni]-9)-16([Mo]+0.5[W]-1.5)-3.75[Al]-34[Ti]-20[Cu] …식 (3)

식 (3)에 있어서, 실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강의 조성 성분에는 함유되지 않는 텅스텐(W)이 기재되어 있지만, 예를 들면 불가피적 불순물에 W가 함유될 때에, 그 W의 함유율을 대입한다. 따라서, W가 함유되지 않을 경우에는, [W]의 값은 「0」으로 된다.

석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강으로, 예를 들면 동익 등의 터빈 부품을 제작하는 공정에서 실시되는 열 처리는, 제조 비용 등에 영향을 준다. 그 때문에, 마텐자이트 변태 개시 온도에 대한 합금원소의 작용도, 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서 중요하다고 여겨지고 있다. 식 (3)은, 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서의 마텐자이트 변태 개시 온도의 평가 지표 Ms(℃)로서 이용되고 있는 지표이다(예를 들면, 일본국 특허 제4685028호 공보).

실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서, 담금질 후에, 완전히 담금질 마텐자이트 조직으로 하려면, 식 (3), 즉 Ms의 값은 100 이상인 것이 바람직하다.

식 (3)의 값인, 마텐자이트 변태 개시 온도의 평가 지표 Ms가 100 이상일 경우, 통상의 냉각에 의해서도 조직의 대부분을 마텐자이트화할 수 있기 때문에, 서브제로 처리 등의 저온 처리가 불필요해진다. 냉각 속도가 늦어지는 두께가 두꺼운 소재의 중심부나 화학 성분에 치우침이 있는 마이크로 편석(偏析)부도 포함시킨 대부분을 마텐자이트화하기 위해서, 식 (3)의 값은, 120 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 식 (3)의 값의 상한값은, 실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 포함되는, 식 (3)에 포함되는 각 조성 성분의 함유율의 범위로부터 필연적으로 정해진다.

여기에서, 실시형태에 있어서의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 상기한 식 (1) 및 식 (2)에 따른 조건의 적어도 한 쪽을 만족시킴과 함께, 식 (3)에 따른 조건을 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, 상기한 식 (1) ~ 식 (3)에 따른 모든 조건을 만족시키는 것이 보다 바람직하다.

상기한 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서의 각 조성 성분 범위의 한정 이유를 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 조성 성분을 나타내는 %는, 특별히 명기하지 않는 한 질량%로 한다.

(1) Cr(크롬)

Cr은, 우수한 내식성을 얻기 위해 중요한 원소이다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Cr을 8.5% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Cr의 함유율이 12.5%를 초과하면, δ페라이트의 석출에 의해 인성이 저하된다. 또한, 강도나 인성 등의 향상에 유효한 그 밖의 원소의 첨가가 제한된다. 그 때문에, Cr의 함유율을 8.5 ~ 12.5%로 했다. 마찬가지인 이유에 의해, Cr의 함유율을 9 ~ 10%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(2) Mo(몰리브덴)

Mo는, Cr과 마찬가지로, 내식성의 향상에 유효한 원소이다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Mo를 1% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Mo의 함유율이 2%를 초과하면, δ페라이트의 석출에 의해 인성이 저하된다. 또한, Mo는, 비교적 고가인 원소이기 때문에, 제조 비용이 증가한다. 그 때문에, Mo의 함유율을 1 ~ 2%로 했다. 마찬가지인 이유에 의해, Mo의 함유율을 1.3 ~ 1.8%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(3) Ni(니켈)

Ni은, Ti와 금속간 화합물을 형성해서 석출경화에 기여하고, 인성을 향상시키며, δ페라이트의 석출을 억제하는 효과가 있다. 목표로 하는 인성을 달성하기 위해서는, Ni를 8.5% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Ni의 함유율이 11.5%를 초과하면, 전술한 식 (3)에서 나타나는 평가 지표 Ms가 저하되고, 잔류 오스테나이트가 생성된다. 또한, Ni는, 비교적 고가인 원소이기 때문에, 제조 비용이 증가한다. 그 때문에, Ni의 함유율을 8.5 ~ 11.5%로 했다. 마찬가지인 이유에 의해, Ni의 함유율을 10 ~ 11.5%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(4) Ti(티탄)

Ti는, Ni와 금속간 화합물을 형성해서 석출경화에 기여한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Ti를 0.6% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Ti의 함유율이 1.4%를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Ti의 함유율을 0.6 ~ 1.4%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, Ti의 함유율을 0.7 ~ 1.3%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(5) C(탄소)

C는, δ페라이트의 석출의 억제에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, C를 0.0005% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, C의 함유율이 0.05%를 초과하면, 전술한 식 (3)에서 나타나는 평가 지표 Ms가 저하되고, 잔류 오스테나이트가 생성된다. 또한, 탄화물의 석출은 내식성을 저하시킨다. 그 때문에, C의 함유율을 0.0005 ~ 0.05%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, C의 함유율을 0.01 ~ 0.02%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(6) Al(알루미늄)

Al은, 석출경화에 기여한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Al을 0.0005% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Al의 함유율이 0.25%를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Al의 함유율을 0.0005 ~ 0.25%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, Al의 함유율을 0.001 ~ 0.025%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(7) Cu(구리)

Cu는, 석출경화에 기여한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Cu를 0.005% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Cu의 함유율이 0.75%를 초과하면, 인성, 연성, 강도가 저하된다. 그 때문에, Cu의 함유율을 0.005 ~ 0.75%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, Cu의 함유율을 0.005 ~ 0.25%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(8) Nb(니오븀)

Nb은, 석출경화에 기여한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Nb를 0.0005% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Nb의 함유율이 0.3%를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Nb의 함유율을 0.0005 ~ 0.3%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, Nb의 함유율을 0.001 ~ 0.025%로 하는 것이 보다 바람직하다.

(9) Si(규소)

Si는, 탈산제로서의 기능을 구비한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Si를 0.005% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Si의 함유율이 0.75%를 초과하면, δ페라이트의 석출에 의해 인성이 저하된다. 그 때문에, Si의 함유율을 0.005 ~ 0.75%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, Si의 함유율을 0.005 ~ 0.1%로 하는 것이 바람직하다.

(10) Mn(망간)

Mn은, 탈산제의 효과가 있으며, δ페라이트의 석출의 억제에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Mn을 0.005% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, Mn의 함유율이 1%를 초과하면, 잔류 오스테나이트를 생성한다. 그 때문에, Mn의 함유율을 0.005 ~ 1%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, Mn의 함유율을 0.005 ~ 0.1%로 하는 것이 바람직하다.

(11) N(질소)

N은, δ페라이트의 석출의 억제에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, N을 0.0001% 이상 함유하는 것이 필요하다. 한편, N의 함유율이 0.03%를 초과하면, 잔류 오스테나이트를 생성한다. 또한, N이 Ti와 화합물을 형성하며, 강도에 기여하는 Ni와 Ti에 의한 금속간 화합물의 형성이 억제된다. 그 때문에, N의 함유율을 0.0001 ~ 0.03%로 했다. 마차가지인 이유에 의해, N의 함유율을 0.0005 ~ 0.01%로 하는 것이 바람직하다.

(12) P(인), S(황), As(비소), Sn(주석) 및 Sb(안티몬)

실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 있어서, P, S, As, Sn 및 Sb는, 불가피적 불순물로 분류되는 성분이다. 이들 불가피적 불순물은, 가능한 한 그 잔존 함유율을 0%에 근접시키는 것이 바람직하다.

상기한 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 강도 및 인성이 우수하다. 그 때문에, 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 예를 들면 증기터빈의 동익을 구성하는 재료로서 바람직하다. 증기터빈의 동익 중에서도, 특히, 고강도, 고인성, 고내식성이 요구되는, 예를 들면 블레이드 길이가 증대하는, 저압 터빈의 저압단(예를 들면, 최종단 등)의 터빈 단락에 구비되는 동익을 구성하는 재료로서 바람직하다.

여기에서, 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강 및 이 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용하여 제조되는 증기터빈의 동익의 제조 방법에 관하여 설명한다.

실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강은, 예를 들면 다음과 같이 제조된다.

상기한 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 구성하는 조성 성분을 얻기 위해 필요한 원재료를, 아크식 전기로, 진공 유도 전기로 등의 용해로에서 용해하고, 정련, 탈가스를 행한다. 그리고, 소정 사이즈의 형(型)에 주탕하고, 응고시켜 강괴를 형성한다. 여기에서, 강괴에 편석 등의 불균일한 구성이 생길 경우에는, 이것을 균일한 구성으로 하기 위해서, ESR(일렉트로슬래그 재용해(electro slag remelting)) 혹은 VAR(진공 아크 재용해) 등에 의해 강괴를 다시 용해하고, 소정 사이즈의 형에 주탕하고, 응고시켜 강괴를 형성하는 것이 바람직하다.

계속해서, 응고가 완료된 강괴를, 1050 ~ 1250℃로 가열하고, 소정 사이즈가 되도록 열간 가공(단조)한다. 계속해서, 강괴에 대하여, 940 ~ 980℃의 온도에서 일정 시간, 용체화 처리를 실시하고, 그 후 물 담금질을 실시한다. 계속해서, 강괴에 대하여, 490 ~ 580℃의 온도에서 일정 시간, 시효(時效) 처리를 실시한다. 이 시효 처리를 실시함으로써, 금속간 화합물이나 탄화물에 의한 석출 강화를 도모할 수 있다. 이러한 공정을 거쳐, 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강이 제조된다.

증기터빈의 동익은, 예를 들면 다음과 같이 제조된다.

상기한 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 구성하는 조성 성분을 얻기 위해서 필요한 원재료를, 아크식 전기로, 진공 유도 전기로 등의 용해로에서 용해하고, 정련, 탈가스를 행한다. 그리고, 소정 사이즈의 형에 주탕하고, 응고시켜 강괴를 형성한다. 여기에서, 강괴에 편석 등의 불균일한 구성이 생길 경우에는, 이것을 균일한 구성으로 하기 위해서, ESR(일렉트로슬래그 재용해) 혹은 VAR(진공 아크 재용해) 등에 의해 강괴를 다시 용해하고, 소정 사이즈의 형에 주탕하고, 응고시켜 강괴를 형성하는 것이 바람직하다.

계속해서, 응고가 완료한 강괴를, 1050 ~ 1250℃로 가열하고, 금형을 이용하여 동익의 익형 형상으로 열간 가공(형 단조)한다. 계속해서, 강괴에 대하여, 940 ~ 980℃의 온도에서 일정 시간, 용체(溶體)화 처리를 실시하고, 그 후 물 담금질을 실시한다. 계속해서, 강괴에 대하여, 490 ~ 580℃의 온도에서 일정 시간, 시효 처리를 실시한다. 이 시효 처리를 실시함으로써, 금속간 화합물이나 탄화물에 의한 석출 강화를 도모할 수 있다. 이러한 공정을 거쳐, 동익이 제조된다.

여기에서, 용체화 처리 및 시효 처리에 있어서의 가열 온도를 상기한 범위로 하는 것이 바람직한 것은, 다음 이유 때문이다. 용체화 처리에 있어서, 온도가 940℃보다 낮을 경우에는, 열간 가공 시에 생긴 거칠고 큰 미고용(未固溶)탄질화물의 고용이 불충분해지고, 온도가 980℃보다 높을 경우에는, 오스테나이트 결정 입경이 거칠고 커져, 시효 처리 후의 인성이 저하된다. 시효 처리에 있어서, 온도가 490℃보다 낮을 경우에는, 금속간 화합물의 시효 석출이 충분하게 행해지지 않으며, 강도의 향상이 충분하지 않고, 온도가 580℃보다 높을 경우에는, 금속간 화합물이 과잉으로 시효 석출되며, 인성이 저하된다.

도 1은, 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용하여 구성된 동익(10)의 사시도이다. 도 2는, 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용하여 구성된 동익(10)을 구비하는 증기터빈(20)의 자오 단면의 일부를 나타낸 도면이다.

상기한 제조 공정을 거쳐, 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같은 긴 블레이드의 동익(10)이 제조된다. 이 동익(10)은, 예를 들면 저압 터빈의 최종단의 터빈 단락에 구비된다.

동익(10)이 구비된 증기터빈(20)은, 케이싱(21)을 구비하고, 이 케이싱(21) 내에는, 동익(10)이 식설(植設)된 터빈 로터(22)가 관통 설치되어 있다. 동익(10)을 둘레 방향으로 복수 식설해서 동익 익렬을 구성하고, 이 동익 익렬을 터빈 로터 축 방향으로 복수 단 구비하고 있다. 터빈 로터(22)는, 도시 생략된 로터 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.

케이싱(21)의 내주에는, 터빈 로터(22)의 축 방향으로 동익(10)과 엇갈려지도록, 다이어프램(diaphragm) 외륜(23)과 다이어프램 내륜(24)에 지지된 정익(靜翼)(25)이 배설(配設)되어 있다. 정익(25)을 둘레 방향으로 복수 배치해서 정익 익렬을 구성하고, 정익 익렬과 직(直)하류 측에 위치하는 동익 익렬로 하나의 터빈 단락을 구성하고 있다.

증기터빈(20) 내에 유입한 증기는, 각 터빈 단락의 정익(25), 동익(10)을 구비하는, 점차 확대되는 증기 통로(26)를 팽창 일을 하면서 통과하여, 터빈 로터(22)를 회전시킨다. 그리고, 최종단의 터빈 단락을 통과한 증기는, 배기 유로(도시 생략)를 통과하여, 증기터빈(20)의 외부에 유출된다.

상기한 바와 같이, 증기터빈(20)의 동익(10)을 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강에 의해 구성함으로써, 강도 및 인성이 우수한 동익(10)을 구성할 수 있다.

(강도 및 인성의 평가)

(화학 조성의 영향)

이하에, 실시형태의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강이, 강도 및 인성이 우수함을 설명한다. 우선, 강도 및 인성에 미치는 화학 조성의 영향에 관하여 설명한다.

표 1은, 강도 및 인성의 평가에 이용된 시료 1 ~ 시료 13의 화학 조성을 나타낸다. 표 2에는, 열 처리 조건, 강도 및 인성의 평가 결과를 나타내고 있다. 또한, 시료 1 ~ 시료 8은, 본 실시형태의 화학 조성 범위에 있는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강이며, 시료 9 ~ 시료 13은, 그 조성이 본 실시형태의 화학 조성 범위에 없는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강이며, 비교예이다. 표 1에 나타난 각 시료의 조성 성분은, 질량%로 나타나 있다. 또한, 표 1에는, 전술한 식 (1), 식 (2), 식 (3)에서 산출된 값을 나타내고 있고, 표 1에 나타난 Ms는 식 (3)에 의해 산출된 값이다.

여기에서는, 강도를 인장 시험(인장 강도)에 의해, 인성을 샤르피 충격 시험(샤르피 흡수 에너지)에 의해 평가했다. 각각의 시험에 사용되는 시험편은 다음과 같이 제작했다.

표 1에 나타낸 화학 조성을 갖는 시료 1 ~ 시료 13의 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 구성하는 조성 성분을 얻기 위해 필요한 원재료의 각각을, 진공 용해로에 있어서 용해하고, 정련, 탈가스를 행하고, 30㎏의 주괴를 제작했다.

계속해서, 응고가 완료된 강괴를, 1100℃로 가열하고, 열간 가공(형 단조)하여, 평판으로 했다.

계속해서, 각 평판에 대하여, 표 2에 나타낸 용체화 처리 조건으로 용체화 처리를 실시하고, 그 후 물 담금질을 행했다. 용체화 처리된 각 평판에 대하여, 표 2에 나타낸 시효 처리 조건으로 시효 처리를 실시했다. 시효 처리 후, 시험편 길이 방향을 단조 늘임 방향으로 하여, 각 평판으로부터 인장 시험용 시험편 및 샤르피 충격 시험용 시험편을 채취했다.

인장 시험은, 평행부 직경이 6mm, 평행부 길이가 30mm인 시험편을 이용하고, JIS Z 2241에 준거해서 실온하에서 행해졌다. 충격 시험은, 풀 사이즈의 V 노치 시험편을 이용하여, 충격 칼날 반경 2mm으로 해서, JIS Z 2242에 준거해서 실온하에서 행해졌다. 인장 시험 및 샤르피 충격 시험에 있어서, 2개의 시험편에 대하여 시험을 행하고, 그것들의 평균값을 시험 결과로 했다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 시료 1 ~ 시료 8에 있어서는, 인장 강도가 1500㎫ 이상이며, 또한 샤르피 흡수 에너지가 40J을 초과하고, 강도 및 인성의 쌍방이 우수함을 알았다. 이 결과는, 현재 상태의 증기터빈에 있어서의 저압단의 동익에 사용되고 있는 인장 강도가 1300㎫급(실온), 샤르피 흡수 에너지가 40J급(실온)의 재료와 비교해도, 높은 강도 및 인성을 얻을 수 있다.

한편, 비교예에 따른 시료 9 ~ 시료 13에 있어서는, 샤르피 흡수 에너지가 40J를 하회(下回)하고, 인성이 떨어지는 것을 알았다.

(열 처리 온도의 영향)

여기에서는, 용체화 처리 및 시효 처리에 있어서의 열 처리 온도가 강도 및 인성에 미치는 영향에 관하여 설명한다. 표 3에는, 용체화 처리 조건, 시효 처리 조건, 강도 및 인성의 평가 결과를 나타내고 있다.

열 처리 온도의 영향은, 표 1에 나타낸 시료 1을 이용하여, 화학 조성의 영향을 조사했을 때와 마찬가지로, 진공 용해로에 있어서의 용해, 열간 가공을 거쳐 형성된 평판에 대하여, 표 3에 나타낸 각 용체화 처리 조건에서 용체화 처리를 실시하고, 그 후 물 담금질을 행했다. 용체화 처리된 각 평판에 대하여, 표 3에 나타낸 시효 처리 조건에서 시효 처리를 실시했다. 시효 처리 후, 시험편 길이 방향을 단조 늘임 방향으로 해서, 각 평판으로부터 인장 시험용 시험편 및 샤르피 충격 시험용 시험편을 채취했다.

화학 조성의 영향을 조사했을 때와 마찬가지로, 강도를 인장 시험에 의해, 인성을 샤르피 충격 시험에 의해 평가했다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 용체화 처리 온도가 940 ~ 980℃이고, 또한 시효 처리 온도가 490 ~ 580℃인 경우(시료 14)에는, 인장 강도가 1500㎫ 이상이고, 또한 샤르피 흡수 에너지가 40J 이상이고, 강도 및 인성의 쌍방이 우수함을 알았다. 또한, 용체화 처리 온도 및 시효 처리 온도가 상기한 범위인, 표 2에 나타난 시료 1에 있어서도, 시료 14와 마찬가지인 결과를 얻을 수 있다.

한편, 용체화 처리 온도가 940 ~ 980℃인 범위 내가 아니거나, 또는 시효 처리 온도가 490 ~ 580℃의 범위 내가 아닐 경우(시료 15 ~ 시료 18)에는, 인장 강도, 샤르피 흡수 에너지의 어느 한 쪽이 낮고, 강도 및 인성의 쌍방에 우수함은 없었다.

이상에서 설명한 실시형태에 따르면, 우수한 강도 및 인성을 얻는 것이 가능해진다.

본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는, 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하고 있는 것은 아니다. 이들 신규인 실시형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

10…동익, 20…증기터빈, 21…케이싱, 22…터빈 로터, 23…다이어프램 외륜, 24…다이어프램 내륜, 25…정익, 26…증기 통로

Claims

질량%로, Cr: 8.5 ~ 12.5, Mo: 1 ~ 2, Ni: 8.5 ~ 11.5, Ti: 0.6 ~ 1.4, C: 0.0005 ~ 0.05, Al: 0.0005 ~ 0.25, Cu: 0.005 ~ 0.75, Nb: 0.0005 ~ 0.3, Si: 0.005 ~ 0.75, Mn: 0.005 ~ 1, N: 0.0001 ~ 0.03을 함유하고, 잔부(殘部)가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강.
제 1 항에 있어서,
식 (1)에 의해 산출된 값이 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강.
[Cr]/([Cr]+[Fe]) …식 (1) (여기에서, 식 (1) 중의 각 괄호 기재는, 각 괄호 기재 내의 원소의 함유율(질량%)을 의미함)
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
식 (2)에 의해 산출된 값이 12.5 이상인 것을 특징으로 하는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강.
[Cr]+3.3[Mo] …식 (2) (여기에서, 식 (2) 중의 각 괄호 기재는, 각 괄호 기재 내의 원소의 함유율(질량%)을 의미함)
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
식 (3)에 의해 산출된 값이 100 이상인 것을 특징으로 하는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강.
195-1200([C]-0.006)-23([Cr]-12)-40([Ni]-9)-16([Mo]+0.5[W]-1.5)-3.75[Al]-34[Ti]-20[Cu] …식 (3) (여기에서, 식 (3) 중의 각 괄호 기재는, 각 괄호 기재 내의 원소의 함유율(질량%)을 의미함)
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
940 ~ 980℃의 온도에서 용체화 처리, 490 ~ 580℃의 온도에서 시효(時效) 처리가 실시된 것을 특징으로 하는 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 석출경화형 마텐자이트계 스테인리스강을 이용하여 구성된 것을 특징으로 하는 증기터빈의 동익.
제 6 항에 기재된 동익을 적어도 1개의 터빈 단락에 구비한 것을 특징으로 하는 증기터빈.