KR20140034936A

KR20140034936A - 고 Cr 강철제 터빈 로터의 초층 또는 피복층 용접부, 당해 용접부용 클래딩 용접 재료 및 당해 클래딩 용접부의 제조 방법

Info

Publication number: KR20140034936A
Application number: KR1020147004003A
Authority: KR
Inventors: 유타 혼마; 린조 카야노; 미키히로 사카타; 켄 야마시타
Original assignee: 더 재팬 스틸 워크스 엘티디; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-03-20
Also published as: RU2014110032A; US20140212323A1; EP2745979B1; KR101600208B1; EP2745979A1; CN103857491A; RU2573842C2; AU2012295808B2; JP5759304B2; WO2013024901A1; CN103857491B; JP2013039602A; AU2012295808A1; EP2745979A4

Abstract

본 발명은 고 Cr 강철 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성하는 클래딩 용접부의 초층이 C:0.05~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~1.5%, Cr:4.0~7.7% 및 Mo:0.5~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가 불순물인 다층 클래딩 용접부, 추가로 피복층 용접부가 C:0.05~0.2%, Si: 0.1~1.0%, Mn:0.3~2.5%, Cr:1.0~4.0% 및 Mo:0.5~1.5%를 함유하는 다층 클래딩 용접부 및 그를 위한 용접 재료와 다층 클래딩 용접부의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고 Cr 강철제 터빈 로터의 초층 또는 피복층 용접부, 당해 용접부용 클래딩 용접 재료 및 당해 클래딩 용접부의 제조 방법{FIRST LAYER OR OVERLAYING LAYER WELDING SECTION OF HIGH Cr STEEL TURBINE ROTOR, CLADDING WELDING MATERIAL FOR WELDING SECTION, AND METHOD FOR MANUFACTURING CLADDING WELDING SECTION}

본 발명은, 고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링이 접촉하는 면에 Cr 함유 강철 클래딩(cladding)을 형성하는 다층 클래딩에 관한 것이다.

고 Cr 강철은 고온 강도, 저온 인성이 우수하기 때문에, 발전기의 고압, 중압 터빈 로터 소재로서 사용이 확대되어 있다. 하지만, 고 Cr 강철제의 터빈 로터의 축베어링과의 접촉면은, 사용 중에 축 베어링에서 인화를 일으키기 쉽고, 손상을 초래할 우려가 있다. 이 때문에, 로터의 축베어링부에 저합금강을 클래딩 용접하여 인화의 발생을 방지하는 방법이 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 1 참조).

종래 이 종류의 클래딩 용접은 주로 잠수 아아크 용접용의 용접 재료나 용접 방법이 개발되어 있다.

예컨대, 특허문헌 2는 터빈 로터의 저널부에 적용하는 용접 재료를 제안한 것으로, 용접 잔류 응력을 고려하여 초층 용접 재료는 피복층의 저합금강과 로터 기재보다 저강도이고 선팽창 계수의 큰 용접 재료를 사용한 것이 개시되어 있다.

또, 특허문헌 3에 기재된 발명에서는 피로 강도의 증가를 목적으로 강도 단차의 경감을 도모하고 있다. 특허문헌 4에서는 초층에 Cr량이 높은 용접 재료를 사용함으로서, 피로 강도 향상을 도모하는 것이 개시되어 있다.

일본국 특개소 57-137456호 공보 일본국 특개평 6-272503호 공보 일본국 특개평 9-76091호 공보 일본국 특개평 9-066388호 공보

하지만, 특허문헌 2에 기재된 초층 용접 재료에 사용하고 있는 용접 재료에는 Cr이 포함되어 있지 않기 때문에, 피복층의 강도에 따라서는, 응력 제거 소둔시에 스러스트부 등의 형태 불연속부에 있어서 초층에 변경의 집적이 발생하고, 경우에 따라서는 깨짐 등의 결함이 발생할 가능성이 있다.

또, 특허문헌 3에 기재된 발명에서 규정되어 있는 초층 Cr량 1.0%의 용접 재료에 의한 시공에서는 용접부 Cr 함유량이 낮아질 우려가 있고, 또한 용접 후의 응력 제거 소둔시에는 모재와 용접 금속의 Cr량의 차이에 기인하여 C 등의 확산이 생기고, 용접 금속측의 강도가 저하할 우려가 있다.

이와 같이, 종래의 기술에서는 로터 기재와 접하는 용접 재료의 Cr 함유량이 낮고, 또한 로터 기재, 초층, 피복층의 강도 균형을 고려하지 않았기 때문에, 용접에 의한 잔류 응력이 높다. 그리고 형태에 기인하여 응력 집중이 생기기 쉬운 스러스트부 등의 형태 불연속부에 있어서, 결함이 발생할 우려가 있다. 특허문헌 4에서는 초층에 Cr층의 높은 용접 재료를 사용하고 있지만, 로터 모재의 성분에 따라서는 용접에 의한 성분 희석에 의해 응력 제거 소둔 깨짐 감수성이 높아지는 것이 예상되는 것에서, 개선의 여지가 있었다.

그래서, 본 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터 축베어링부에 요구되는 강도나 인성을 만족하고, 또한 응력 제거 소둔시의 깨짐을 회피하기 위한 초층 또는 피복층용의 클래딩 용접 재료의 조합 및 이에 의해 얻어지는 초층 또는 피복층 용접부 및 다층 클래딩 용접부의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 제1의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부 중의 초층 용접부에 관하여, 중량%로, C:0.05~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~1.5%, Cr:4.0~7.7% 및 Mo:0.5~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 초층 용접부에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.2% 이하, Ni:0.3% 이하, Co:1.5% 이하, B:0.005% 이하, W:1.5% 이하 및 Nb:0.07% 이하인 것을 특징으로 한다.

제2의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부 중의 초층 용접부에 관하여, 상기 제1의 발명에서, 다음 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

Pcr(1)=(초층 용접부 중의 Cr량)×0.65-(고 Cr 강철제 터빈 로터의 Cr량-초층 용접부 중의 Cr량)×0.35＞0.7…(1)

제3의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부 중, 상기 제1의 발명 또는 제2의 발명에 따른 초층 용접부를 얻기 위한 초층 용접부용 클래딩 용접 재료에 관하여, 중량%로, C:0.03~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~1.2%, Cr:2.0~5.5% 및 Mo:0.1~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 초층 용접부용 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 것을 특징으로 한다.

제4의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부 중 상기 제1 또는 제2의 발명에 따른 초층 용접부상에 형성된 피복층 용접부에 관하여, 중량%로, C:0.05~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~2.5%, Cr:1.0~4.0% 및 Mo:0.5~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 초층 용접부에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.15% 이하, Ni:0.3% 이하, 및 Nb:0.07% 이하인 것을 특징으로 한다.

제5의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 피복층 용접부에 관하여, 상기 제4의 발명에 있어서, 당해 피복층 용접부에 포함되는 V량이, 상기 제1 또는 제2의 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 V량보다 적은 것을 특징으로 한다.

제6의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 피복층 용접부에 관하여, 상기 제4 또는 제5의 발명에서, 다음 식(2)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

Pcr(n)=(n층째 피복층 용접부 중의 Cr량)×0.65-{(n-1)층째 피복층 용접부 중의 Cr량-n층째 피복층 용접부 중의 Cr량}×0.35＞0.7…(2)

다만, N은 다층 클래딩 용접부를 구성하는 층의 수를 나타내고, 2≤n≤N이다.

제7의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부의 초층 용접부상에 형성된, 상기 제4~제6의 발명 중 어느 하나의 발명에 따른 피복층 용접부를 얻기 위한 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료에 관하여, 중량%로, C:0.03~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~3.0%, Cr:1.0~2.5% 및 Mo:0.1~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 것을 특징으로 한다.

제8의 발명은 고 Cr 강철제 터빈 로터의 다층 클래딩 용접부의 제조 방법에 관하여, 고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에, 중량%로, C:0.03~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~1.2%, Cr:2.0~5.5% 및 Mo:0.1~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 초층 용접부용 클래딩 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 초층 용접부용 클래딩 용접 재료를 사용한 용접에 의해, 상기 제1 또는 제2의 발명에 따른 초층 용접부를 형성하고,

상기 형성한 초층 용접부의 상층에,

중량%로, C:0.03~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~3.0%, Cr:1.0~2.5% 및 Mo:0.1~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료에 대해 중량%로 P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료를 사용한 용접에 의해, 상기 제4~제6의 발명 중 어느 하나의 발명에 따른 피복층 용접부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 피복층 용접부에 의하면, 초층과 피복층의 경계부에 페라이트를 생성하지 않고, 또 응력 제거 소둔 깨짐을 억제할 수 있고, 축베어링부에 요구되는 강도나 인성을 만족하면서, 축베어링의 인화를 방지할 수 있다.

또한, 상기 제1의 발명과 제2의 발명에 따른 초층 용접부를 피복층 용접부와 조합하는 것에 의해 모재, 초층, 피복층의 강도 균형을 최적으로 하고, 응력 제거 소둔시의 초층에의 변형의 집중을 방지할 수 있다. 이에 의해, 용접시의 잔류 응력이 큰 스러스트부의 용접에 대해서도 응력 제거 소둔 깨짐을 일으키지 않고 시공이 가능하게 된다. 또 각층의 Cr량의 차이를 고려함으로서, 초석(初析) 페라이트의 생성을 막고, 안정적인 품질의 클래딩 강화형 고 Cr 강철제 터빈 로터를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 있어서의 고 Cr 강철제 터빈 로터의 개략을 나타내는 측면도이다.
도 2는 초층 용접부 또는 피복층 용접부 중의 특성 평가를 실행시에 측정하는, 분석 개소 및 고온 저 변형 속도 인장 시험편의 채취 위치를 나타내는 모식도이다.
도 3은 Cr 변동재를 사용한 고온 저 변형 속도 인장 시험의 Cr량과 수축 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 4(a)~(d)는 초층 용접부의 응력 제거 소둔 깨짐 감수성을 평가하는 링 깨짐 시험편을 나타내는 모식도이다. 도 4(a)는 당해 시험에 사용하는 시험편 채취 위치를 나타내는 도면이다. 도 4(b)는 당해 시험편의 측면도이다. 도 4(c)는 당해 시험편의 정면도이다. 도 4(d)는 도 4(c)에서 A부의 확대도이다. 도 4(a)~(d) 중 치수의 값의 단위는, ㎜이다.
도 5는 당해 링 깨짐 시험을 실행시, U 노치 저부에 인장 잔류 응력을 부여시키는 공정을 나타내는 모식도이다.
도 6은 고온 저 변형 속도 인장 시험편 형태를 나타내는 모식도이다. 도 6 중 치수의 값의 단위는 ㎜이다.

이하에, 본 발명의 실시형태에 대해 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고, 임의로 변형하여 실시할 수 있다.

<초층 용접부>

본 발명에 따른 초층 용접부의 성분은 중량%로 C:0.05~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~1.5%, Cr:4.0~7.7% 및 Mo:0.5~1.5%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 화합물이다. 이들 성분의 의의를 이하에 설명하지만, 이 조성으로 모재와 클래딩 초층간, 또는 그 이후의 클래딩층에서 강도 단차를 실용상 문제가 없는 정도로 억제하고, 초층에서의 응력 제거 소둔 깨짐을 억제할 수 있다. 또한, 이하에 있어서의 함유량은 모두 중량%로 나타냈다.

C:0.05~0.2%

용접부의 인장 강도를 확보한다는 관점에서 C는 필요한 첨가 원소이기 때문에 0.05%를 하한으로 한다. 또한, 충격값의 저하, 용접 깨짐 감수성의 상승의 관점에서, 0.2%를 상한으로 한다.

Si:0.1~1.0%

Si는, 탈산제로서, 또는 강도 확보를 위해 필요한 원소이기 때문에 0.1%를 하한으로 한다. 하지만, Si의 과잉 함유는 응력 제거 소둔 깨짐 등의 깨짐을 조장(助長)하고, 또 인성의 저하를 초래하기 때문에 1.0%를 상한으로 한다. 또한, 같은 이유로 하한은 0.25%로 하는 것이 바람직하고, 상한은 0.7%로 하는 것이 바람직하다.

Mn:0.3~1.5%

Mn은 Si와 같이 탈산제로서, 또는 강도 확보를 위해 필요한 원소이기 때문에 0.3%를 하한으로 한다. 하지만, Mn의 과잉 함유는 인성의 저하를 초래하기 때문에 1.5%를 상한으로 한다. 또한, 같은 이유로 상한은 1.2%로 하는 것이 바람직하고, 1.0%로 하는 것이 한층 바람직하다.

Cr:4.0~7.7%

Cr은 강도와 인성을 확보하는데 있어서 중요한 원소이고, 초층에의 변형의 집중을 억제하고 모재와의 Cr 차이를 억제하고 페라이트의 생성을 막기 위해, 4.0%를 하한으로 한다. 하지만, Cr의 과잉 함유는 담금질성을 높이고, 용접 깨짐 감수성이 높아지는 것에서, 7.7%를 상한으로 한다. 또한, 같은 이유로 상한을 6.7%로 하는 것이 바람직하다.

Mo:0.5~1.5%

Mo는 응력 제거 소둔 중에 탄화물로서 석출하고, 템퍼 연화 저항을 높이기 때문에, 응력 제거 소둔 후의 강도를 얻는데 중요한 원소이고, 응력 제거 소둔시의 변형의 집중을 억제하기 위해 0.5%를 하한으로 한다. 하지만, Mo의 과잉 함유는 깨짐성을 높이고, 또 인성의 저하를 초래하기 때문에 1.5%를 상한으로 한다. 또한, 같은 이유로 상한을 1.0%로 하는 것이 바람직하다.

초층 용접부의 필수 구성 원소는 상기와 같다. 또, 잔부는 실질적으로 Fe 및 모재로부터의 희석 등에 의한 불가피 불순물이다. 당해 불가피 불순물로서, 초층 용접부 전체에 대해, 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.2% 이하, Ni:0.3% 이하, Co:1.5% 이하, B:0.005% 이하, W:1.5% 이하 및 Nb:0.07% 이하를 포함할 수 있다. 이하, 그 이유를 설명한다.

P:0.015% 이하

P는 금속 재료를 용제시에 원료 등에서 혼입하는 불순물 원소이고, 인성을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 가능한한 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, P의 함유량은 0.015% 이하로 한다.

S:0.015% 이하

S도 P와 같이 금속 재료를 용제시에 원료 등에서 혼입하는 불순물 원소이고, 인성을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 가능한한 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, S의 함유량은 0.015% 이하로 한다.

Cu:0.2% 이하

Cu는 용접부의 인성을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 함유량의 상한을 0.2% 이하로 한다.

V:0.2% 이하

V는 템퍼 연화 저항성을 올리고, 응력 제거 소둔 후의 강도를 얻기 위한 원소로서 공지이다. 하지만 본 발명자들의 연구에서, V는 응력 제거 소둔 깨짐 감수성을 극단으로 상승시키는 것이 판명되었다. 따라서, V의 함유량은 0.2%를 상한으로 하고, 바람직하게는 상한을 0.1%로 한다.

Ni:0.3% 이하

Ni의 과도한 함유는 템퍼 메짐성을 일으킬 가능성이 있기 때문에, Ni의 함유량은 0.3% 상한으로 한다.

Co:1.5% 이하

모재에 Co가 포함되는 경우, 용접시의 모재로부터의 희석/융합에 의한 상승분에 고정하고, Co 함유량의 상한을 1.5%로 한다.

B:0.005% 이하

W:1.5% 이하

Nb:0.07% 이하

이들 성분은, 일반적으로 응력 제거 소둔시의 템퍼 연화 저항성을 향상시키고, 실온 강도를 확보하는 원소로서 공지이다. 하지만 본 발명자들의 연구에서, 과도하게 함유하면 인성이 저하하고, 또 용접성도 열화하는 것이 판명되었다. 따라서, 본 발명에서는 이들 성분의 함유량에 대해, 상한값을 각각 상기 값으로 정한다.

본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 Cr량에 대해, 하기 식(1)을 만족시키는 것이 바람직하다.

초층 용접부의 Cr 함유량이 많고, 또한 고 Cr 강철제 터빈 로터의 Cr량과의 차이가 적을수록 응력 제거 소둔시의 페라이트 생성이 억제된다. 상기 식(1)에서 나타내는 Pcr(1)값이 0.7을 넘는 값으로 함으로서, 모재-초층 용접부 경계의 페라이트 생성이 억제되고, 안정적인 품질의 클래딩 강화형 고 Cr 강철제 터빈 로터를 얻을 수 있다. 또한, 상기 식(1) 중의 Cr량은 모두 중량%로 나타냈다.

<초층 용접부용 용접 재료>

상기 초층 용접부를 얻는 용접 재료는, 모재상에 클래딩 용접시에 모재와의 사이에서 성분의 희석이 생기고, 또, 상층에 용접되는 피복층과의 사이에서도 성분의 희석도 생긴다. 성분의 희석은, 인접하는 층끼리 용접할 즈음에 일부가 융합하고, 성분 농도가 짙은 층에서 성분 농도의 낮은 층으로 성분이 이동하는 것에 따라 생긴다. 또한, 모재에는 일반적으로 화력 발전용 터빈 로터에 사용되는 고 Cr 강철이면 좋고, 특히 12 Cr 강철이 바람직하고, 또한, W, Co, B가 첨가되어 있는 신 12 Cr 강철로 불리는 것이 보다 바람직하다.

초층 용접부용 용접 재료는, 상술의 희석화를 고려하고, 상기 초층 용접부 조성을 얻기 위해 규정된다. 이에 의해 상기 초층 용접부의 작용 효과를 발휘할 수 있다.

당해 초층 용접부용 용접 재료를 고 Cr 로터 기재에서 클래딩 초층으로서 사용하는 것에 의해, 모재와 클래딩 초층간, 또는 그 이후의 클래딩층에서 강도 단차를 실용상 문제가 없는 정도로 억제하고, 초층에서의 응력 제거 소둔 깨짐을 억제할 수 있다. 또, 초층 용접부가 상기 식(1)을 만족하도록 용접 재료에 대해, 모재와 초층 용접 금속의 Cr 함유량 차이를 억제하는 것에 의해, 페라이트의 생성을 억제할 수 있다.

구체적으로는, 본 발명에 따른 초층 용접부용 용접 재료는, 중량%로, C:0.03~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~1.2%, Cr:2.0~5.5% 및 Mo:0.1~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다. 상기 불가피 불순물이, 상기 초층 용접부용 용접 재료에 대해, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 것이 바람직하다.

이하, 각 성분에 대해 구체적으로 설명한다.

C:0.03~0.2%

본 발명에 따른 초층 용접부의 C 함유량의 범위는 0.05~0.2%이고, 모재 성분은 상기 초층 용접부의 C 함유량 범위의 상한을 넘는 경우가 있다. 용접시에 있어서의 모재 성분과의 희석/융합을 고려하면, 초층 용접부의 C 함유량이 상기 범위가 되기 위해서는, 용접 재료에서 C 함유량의 하한값을 0.03%로 하고, 상한값을 용접 작업성 등을 고려하여 0.2%로 하는 것이 바람직하다.

Si:0.1~1.0%

본 발명에 따른 초층 용접부의 Si 함유량의 범위는 0.1~1.0%이고, 용접시의 모재 성분과의 희석/융합을 고려하면, 초층 용접부의 Si 함유량이 상기 범위를 얻기 위해서는, 용접 재료에서 Si 함유량은 0.1~1.0%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Mn:0.3~1.2%

본 발명에 따른 초층 용접부의 Mn 함유량의 범위는 0.3~1.5%로, 모재 성분은 상기 초층 용접부의 Mn 함유량 범위의 상한을 넘는 경우가 있다. 용접시의 모재 성분과의 희석/융합을 고려하면, 용접 재료에서 Mn 함유량의 하한을 탈산재로서의 효과를 확보하기 위해 0.3%, 상한은 초층 용접부의 성분 범위 상한을 넘지 않도록 1.2%가 바람직하다.

Cr:2.0~5.5%

본 발명에 따른 초층 용접부의 Cr 함유량의 범위는 4.0~7.7%로, Cr 함유량이 높은 모재 성분과의 용접시의 희석/융합을 고려하면, 초층 용접부의 성분 범위를 얻기 위해서는, 용접 재료에서 Cr 함유량은 2.0~5.5%의 범위가 바람직하다.

Mo:0.1~1.5%

본 발명에 따른 초층 용접부의 Mo 함유량 범위는 0.5~1.5%로, 모재 성분과의 용접시의 희석/융합을 고려하면, 초층 용접부의 성분 범위를 얻기위해서는 용접 재료에서 Mo 함유량은 0.5~1.5%의 범위가 바람직하다.

당해 용접 재료에 포함되는 불순물로서는, P, S, Cu, V, Ni, Nb, Ti, W, Co, B 등을 들 수 있다.

본 발명에서 규정하는 초층 용접부의 불순물로서, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하가 허용되어 있다. 이들은, 용접부, 모재끼리 기계적 성질이나 용접성을 악화시키는 성분으로, 초층 용접 재료에 있어서도 초층 용접부와 같은 성분 범위가 바람직하다.

V:0.1% 이하

V는 모재에 포함되는 성분이지만, 본 발명에 따른 초층 용접부의 범위 0.2% 이하를 얻기 위해서는, 용접시의 희석/융합을 고려하면, 용접 재료에 있어서의 V 함유량은 0.1% 이하인 것이 바람직하다.

Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 일종 이상의 총계가 0.2% 이하,

Ni, Nb는 모재에 포함되는 원소이지만, 본 발명에 따른 초층 용접부의 범위인 Ni:0.3% 이하, Nb: 0.07% 이하를 얻기 위해서는, 용접시의 희석/융합을 고려하면, 용접 재료에 있어서의 함유량은 최대한 낮은 쪽이 바람직하다.

또, Ti는 통상 모재에는 대부분 포함되지 않는 원소이지만, 용접부에 잔류하면 비금속 개재물의 생성을 증가시키기 때문에, 용접 재료에 있어서의 함유량은 최대한 낮은 쪽이 바람직하다. 이 때문에, Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계는 0.2% 이하가 바람직하다.

W, Co, B는 모재에 포함될 수 있는 성분이지만, 본 발명에 따른 초층 용접부의 범위인 W:1.5% 이하, Co:1.5% 이하, B:0.005% 이하를 얻기 위해서는, 통상의 용접 재료의 제조 방법에 의해 불가피적으로 포함되는 범위내에서 극히 낮은 쪽이 바람직하다.

<피복층 용접부>

본 발명에 따른 피복층 용접부를 구성하는 성분은 중량%로, C:0.05~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~2.5%, Cr:1.0~4.0% 및 Mo:0.5~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명의 피복층 용접부의 성분을 규정한 이유에 대해 설명한다. 또한, 이하에 있어서의 함유량은 모두 중량%로 나타냈다.

C:0.05~0.2%

축베어링면에 필요한 강도를 부여하는 상태에서 C는 필요한 첨가 원소이기 때문에 0.05%를 하한으로 한다. 하지만, 0.2%를 넘는 함유는 충격값을 내리고, 용접 깨짐 감수성이 높아지기 때문에, 0.2%를 상한으로 한다.

Si:0.1~1.0%

초층 클래딩 용접 금속에서 나타낸 것과 같이 Si는 탈산제로서, 또는 강도 확보를 위해 필요한 원소이기 때문에, 그 함유량은 0.1%를 하한으로 한다. 하지만, 과잉 함유는 응력 제거 소둔 깨짐 등의 깨짐을 조장하고, 또 인성의 저하를 초래하기 때문에 1.0%를 상한으로 한다. 또한, 같은 이유로 하한을 0.3%, 상한을 0.7%로 하는 것이 바람직하다.

Mn:0.3~2.5%

Mn은 Si와 같이 탈산제로서, 또는 강도 확보를 위해 필요한 원소이기 때문에 0.3%를 하한으로 한다. 그러나, 과잉 함유는 인성의 저하를 초래하기 때문에 2.5%를 상한으로 한다. 또한, 같은 이유로 하한을 0.7%, 상한을 2.0%로 하는 것이 바람직하고, 또한 하한을 1.0%로 하는 것이 한층 더 바람직하다.

Cr:1.0~4.0%

Cr은 강도와 인성을 확보하는데 중요한 원소로, 또한 초층과의 Cr 차이를 억제하고 페라이트의 생성을 막기 위해, 1.0%를 하한으로 한다. 그러나, 4.0%를 넘으면 강도가 너무 높아져서 초층에 변형이 집적하고, 응력 제거 소둔시에 깨짐이 발생하는 일이 있기 때문에 상한을 4.0%로 한다.

Mo:0.5~1.5%

Mo는 응력 제거 소둔 중에 탄화물로서 석출하고, 템퍼 연화 저항을 높이기 위해, 응력 제거 소둔 후의 강도를 얻는데 중요한 원소로, 응력 제거 소둔시의 변형의 집중을 억제하기 위해 0.5%를 하한으로 한다. 그러나, 과잉 함유는 응력 제거 소둔 깨짐 감수성을 높이고, 또 인성의 저하를 초래하기 때문에, 1.5%를 상한으로 한다.

피복층 용접부의 필수 구성 요소는 상기와 같고, 잔부는 실질적으로 Fe로 이루어지지만, 상기의 특성을 저해하지 않는 범위에서 추가로 미량의 S, P, Ni 등의 불가피 불순물이 포함되어 있어도 관계없다. 상기 피복층 용접부를 고 Cr 강철제 터빈 로터 기재에 있어서의 클래딩 피복층으로서 사용하는 것에 의해, 내인화성이 우수하고, 또한 초층과 피복층 용접부의 Cr 함유량 차이를 억제하는 것에 의해, 페라이트의 생성을 억제할 수 있다.

또한, 당해 불가피 불순물로서는, 상기 피복층 용접부에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.15% 이하, Ni:0.3% 이하 및 Nb:0.07% 이하를 포함할 수 있다. 아래에 상세하게 설명한다.

P:0.015% 이하

P는 금속 재료를 용제시에 원료 등에서 혼입해오는 불순물 원소로, 인성을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 가능한한 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, P의 함유량은 0.015% 이하가 된다.

S:0.015% 이하

S도 금속 재료를 용제시에 원료 등에서 혼입해오는 불순물 원소로, 인성을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 가능한한 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, S의 함유량은 0.015% 이하가 된다.

Cu:0.2% 이하

Cu는 용접부의 인성을 저하시킬 가능성이 있고, 상한을 0.2% 이하로 한다.

V:0.15% 이하

V는 템퍼 연화 저항성을 높이고, 응력 제거 소둔 후의 강도를 얻기 위한 원소이다. 반면에, 응력 소둔 깨짐 방지를 중시하는 경우, V의 함유를 제한한다. V는 템퍼 연화 저항성 향상을 위해 초층에의 변형 집중이 일어나고, 응력 소둔시에 깨짐이 발생하는 경우가 있다. 그것을 회피하기 위해 V 함유량을 0.15% 이하가 된다.

또한, 피복층 1층째에 V 함유량이 낮은 용접 재료를 사용하여 당해 용접부의 V 함유량을 0.15% 이하로 함으로서 응력 소둔 깨짐을 회피하고, 피복층 2층째 이후, 또는 적어도 피복층의 최표면인 제품 표층부의 용접부는 V 함유량을 0.15~0.3%로 하는 등, 0.15%를 넘은 V를 포함하는 용접 재료를 조합하여 사용해도 좋다. 그 경우, 제품 표층부의 용접부의 Cr 함유량은, 인화를 방지하기 위해 2.5% 이하가 바람직하다. Cr량과 인화 발생의 메커니즘은 해명되지 않았지만, 경험적으로 Cr량이 2.5%를 넘으면 인화가 발생할 위험성이 높아지는 것은, 당업자 사이에서는 주지의 일이다.

또, 피복층 용접부에 포함되는 V의 양은, 초층 용접부에 포함되는 V의 양보다 적은 것이 초층에 과도한 응력 집중을 일으키지 않는 점에서 바람직하다.

Ni: 0.3% 이하

Ni의 과도한 함유는 템퍼 메짐성을 일으킬 가능성이 있고, 0.3%를 상한으로 한다.

Nb: 0.07% 이하

Nb는, 일반적으로 응력 제거 소둔시의 템퍼 연화 저항성을 향상시키고, 실온 강도를 확보하는 원소이지만, 과도하게 함유하면 인성이 저하하고, 또 용접성도 열화할 가능성이 있기 때문에, 본 발명에서는 상한을 0.07%로 정한다.

피복층 용접부에 포함되는 Cr량은, 하기 식(2)을 만족하는 것이 바람직하다.

Pcr(n)=(n층째 피복층 용접부 중의 Cr량)×0.65-{(n-1)층째 피복층 용접부 중의 Cr층-n층째 피복층 용접부 중의 Cr량}×0.35＞0.7…(2)

n층째 피복층 용접부 중의 Cr층과 (n-1)층째 피복층 용접부 중의 Cr량의 차이를 고려하고, 상기 식(2)에서 나타내는 Pcr(n)을 0.7을 넘는 값으로 함으로서, 각 층 경계의 페라이트 생성이 억제된다. 또한, Pcr(2)이란, 1층째인 초층 용접부의 위에 있는 2층째의 피복층(피복층 중에는 1층째)의 식(2)를 만족하는 계산값을 나타내고, 이 경우 식(2) 중, (n-1)층째 피복 용접부에는, 초층 용접부가 상당한다. 또한, 상기 식 중의 Cr량은 모두 중량%로 나타냈다.

<피복층 용접부용 클래딩 용접 재료>

상기 피복층 용접부를 얻기 위한 클래딩 용접 재료는, 초층 용접부상에 피복 용접시에 초층 용접부의 사이에서 성분의 희석이 생기는 것에 의한 조성 변동을 고려하여, 상기 피복층 용접부 조성을 얻기 위해 규정된 것이다. 당해 클래딩 용접 재료를 사용한 용접에 의해, 상기 피복층 용접부가 얻어지고, 강도나 인성을 만족하여, 응력 제거 소둔시의 깨짐을 회피한다는 작용 효과를 발휘할 수 있다.

구체적으로는 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료는, 중량%로, C:0.03~0.2%, Si:0.1~1.0%, Mn:0.3~3.0%, Cr:1.0~2.5% 및 Mo:0.1~1.5%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다. 상기 불가피 불순물이 상기 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 것이 바람직하다.

이하, 상기 성분에 대해 구체적으로 설명한다.

C:0.03~0.2%

본 발명에 따른 피복층 용접부에 있어서의 C 함유량의 범위는 0.05~0.2%로, 본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 C와의 희석/융합을 고려하면, 당해 피복층 용접부의 C 성분 범위의 상한을 넘지 않기 위해, 용접 재료에 있어서의 C 함유량의 하한을 0.03%로 하고, 용접 작업성을 고려하여 상한을 0.2%로 하는 것이 바람직하다.

Si:0.1~1.0%

본 발명에 따른 피복층 용접부에 있어서의 Si 함유량의 범위는 0.1~1.0%로, 본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 Si와의 희석/융합을 고려하면, 당해 피복층 용접부의 Si 성분 범위를 얻기 위해서는 용접 재료에서 Si 함유량은 0.1~1.0%의 범위가 바람직하다.

Mn:0.3~3.0%

본 발명에 따른 피복층 용접부에 있어서의 Mn 함유량의 범위는 0.3~2.5%로, 본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 Mn과의 희석/융합을 고려하면, 당해 피복층 용접부의 Mn 성분 범위를 얻기 위해서는 용접 재료 중의 Mn 함유량은 0.3`3.0%의 범위가 바람직하다.

Cr:1.0%~2.5%

본 발명에 따른 피복층 용접부에 있어서의 Cr 함유량의 범위는 1.0~4.0%로, 본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 Cr과의 희석/융합을 고려하면, 당해 피복층 용접부의 성분 범위를 얻기 위해, 용접 재료에 있어서의 Cr 함유량의 하한은, 상기 피복층 용접부의 Cr 함유량 하한을 밑돌지 않도록 1.0%가 바람직하다. 상한은 상기 피복층 용접부의 Cr 함유량 상한을 넘지 않도록 2.5%가 바람직하다.

또, 피복층의 최표면인 제품 표층부가 되는 피복 용접부의 Cr 함유량도 인화를 방지하기 위해 2.5% 이하가 바람직하고, 마찬가지로 제품 표층부가 되는 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료의 상한도 2.5%가 바람직하다.

Mo:0.1~1.5%

본 발명에 따른 피복층 용접부에 있어서의 Mo 함유량의 범위는 0.5~1.5%로, 본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 Mo와의 희석/융합을 고려하면, 당해 피복층 용접부의 성분 범위를 얻기 위해서는, 용접 재료에 있어서의 Mo 함유량은 0.1~1.5%의 범위가 바람직하다.

불가피 불순물: P, S, Cu, V, Ni, Nb, Ti, W, Co, B

본 발명에 따른 피복층 클래딩 용접 재료에 포함되는 불가피 불순물로서, 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료에 대해 중량%로 P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하가 허용된다. 이들은, 기계적 성질이나 용접성을 악화시키는 성분으로, 본 발명에 따른 피복층 용접부와 같은 성분 범위가 바람직하다.

V:0.1% 이하

V는 모재로부터의 희석/융합에 의해 초층 용접부에는 0.2% 이하의 V가 포함될 수 있다. 이 때문에, 본 발명에 따른 피복층 용접부의 V 함유량의 범위로서 0.15% 이하를 얻기 위해서는, 용접 재료에 있어서의 V 함유량은, 접합시의 희석/융합을 고려하여, 0.1% 이하인 것이 바람직하다.

Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 일종 이상의 총계가 0.2% 이하

Ni, Nb는 모재에 포함될 수 있는 원소이지만, 본 발명에서 규정하는 피복층 용접부의 범위인 Ni:0.3% 이하, Nb:0.07% 이하를 얻기 위해서는, 용접 재료에 있어서의 Ni, Nb의 함유량은 최대한 낮은 쪽이 바람직하다.

또 Ti는, 통상, 모재에는 대부분 포함되지 않지만 용접부에 잔류하면 비금속 개재물의 생성을 증가시키기 때문에, 똑같이 용접 재료에 있어서의 함유량은 낮은 쪽이 바람직하다. 이 때문에, Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계는 0.2% 이하가 바람직하다.

W, Co, B는 모재로부터의 희석/융합에 의해, 초층 용접부에는 W:1.5% 이하, Co:1.5% 이하, B:0.005% 이하의 범위에서 함유될 수 있다. 그러나, 피복층 용접부에는 이들의 성분을 포함할 필요 없이 비용면에서 통상의 용접 재료의 제조 방법에 의해 불가피적으로 포함되는 범위내이면 좋다.

또한 용접부의 조성에 관하여, 용접시에서 일반적으로 용접되는 재료가 20~40% 정도 용해되고 용접 재료와 희석/융합되는데 용접 재료의 원소 조성은 이 희석/융합을 가미하여 성분을 결정해도 좋다.

<고 Cr 강철제 터빈 로터>

본원 발명에서는, 고 Cr 강철제 터빈 로터를 클래딩 용접의 대상으로 하는 것이다. 고 Cr 강철제 터빈 로터는 고 Cr 강철로 구성되어 있고, 예컨대, 8~13%의 Cr을 함유하는 강철이 예시된다. 본 발명에서 터빈 로터의 구성은 특정한 것에 한정되는 것이 아니고, 터빈 로터에 사용 가능한 고 Cr 강철이면 좋다.

또한, 대표적인 터빈 로터 구성을 아래 예시한다(중량%).

C:0.05~0.25%,

Si:1.0% 이하,

Mn:1.5% 이하,

Ni:1.0% 이하,

Cr:8~13%

Mo:2.0% 이하,

V:0.05~0.4%,

Nb:0.01~0.1%,

N:0.01~0.05%

W:0.05~5.0%,

Co:0.05~5.0%,

B:0.015% 이하

잔부가 Fe 및 그 외 불순물.

도 1은 본 발명에 따른 클래딩 용접 재료가 적용되는 고 Cr 강철제 터빈 로터(1)의 측면을 나타내는 개략도이고, 예컨대, 8~13 중량%의 Cr을 함유하는 강철이 예시된다.

고 Cr 강철제 터빈 로터(1)는 축베어링부로서 저널부(2)와 스러스트부(3)를 구비하고 있으며, 저널부(2)와 스러스트부(3)의 일방 또는 양방에, 본 발명에 따른 용접 재료를 사용해서 용접하는 것에 의해, 클래딩 용접부(클래딩부)를 형성할 수 있다.

클래딩부의 형성시에는, 본 발명에 따른 초층 용접부를 형성하고, 추가로 그 피복에 본 발명에 따른 용접 재료를 사용해서 피복층 용접부를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 초층, 피복층 용접부의 형성에 있어서, 안정적인 품질의 용접부를 형성하기 위해 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접 또는 잠수 아아크 용접 등에 의해 실행하는 것이 바람직하다. 당해 용접에서 용접 방법, 용접 조건은, 본 발명으로서는 특히 한정되는 것은 아니고, 공지의 방법을 공지의 조건으로 실행할 수 있다.

또한, 하성 용접시에는, 하기(1)식을 만족하도록, 초층의 Cr 함유량을 정하는 것이 바람직하다.

Pcr(1)=(초층 용접부 중의 Cr량)×0.65-(고 Cr 강철제 터빈 로터의 Cr량-초층 용접부 중의 Cr량)×초층 용접부 중의 Cr량)×0.35＞0.7…(1)

또, 피복의 용접시에는, 하기(2)식을 만족하도록, 피복층의 Cr 함유량을 정하는 것이 바람직하다.

다만, N이란 다층 클래딩 용접부를 구성하는 층의 수를 나타내고, 2≤n≤N이다.

실시예

이하에, 본 발명의 실시예를 설명한다.

고 Cr 강철제 터빈 로터를 상정하여 표 1에 나타내는 성분 구성(잔부 Fe 및 불가피 불순물)의 12 Cr 로터 기재를 사용하고, 표 2에 나타내는 성분 구성(잔부 Fe 및 불가피 불순물)의 클래딩 용접 와이어를 실시예 또는 비교예의 초층 용접부용 용접 재료로서 사용하고, 또한 표 3에 나타내는 성분 구성(잔부 Fe 및 불가피 불순물)의 클래딩 용접 와이어를 실시예 또는 비교예의 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료로 사용했다.

로터 기재의 성분 분석은 임의의 개소에서 시험편을 채취하고, JIS G 1253(2010)의 규정에 준거하여 실행했다. 초층 용접부용 또는 피복층 용접물용 클래딩 용접 재료로서의 클래딩 용접 와이어의 성분 분석은, JIS Z 3317(2010)의 규정에 준거하여 실행했다.

상기 용접 재료를 사용해서, 표 4에 나타내는 용접 조건의 TIG 용접에서 초층, 피복층을 클래딩 용접한 후, 도 2에 나타낸 체크 분석 위치(20)에 의해 시험편을 채취하고, 초층, 피복층 용접부의 성분 분석(체크 분석; 잔부 Fe 및 불가피 불순물)을 실행했다. 각 용접부의 성분 분석은, JIS G 1253(2010)의 규정에 준거하여 실행했다.

또한, 도 2의 α에 나타내는 바와 같이, 각 시험재에서 초층 용접 금속이 중심이 되도록 인장 시험편을 채취하고, 응력 제거 소둔 과정을 모의한 온도 660℃에서 30분 유지하여 온도를 균일하게 한 후, 변형 속도 6.7×10^-6/s로 고온 저 변형 속도 인장 시험을 실행했다. 평가는 수축값(%)를 사용했다.

다음으로, Cr량에 의한 응력 제거 소둔 깨짐 감수성의 평가를 실행하기 위해, 용접 조건에 의해 Cr 함유량을 변경한 Cr 변동재를 사용하고, 변형 속도 6.7×10^-6/s로 고온 저 변형 속도 인장 시험을 실행했다. 평가에는 수축값(%)을 사용했다.

초층의 체크 분석 결과를 표 5에 나타내고, 도 3에 고온 저 변형 속도 인장 시험의 결과 얻어진 Cr량과 수축의 상관을 나타냈다. 초층 용접부의 Cr량이 증가할 때, 수축이 증가하고, Cr량 약 4.0%에서 수축은 포화했다. 이 결과에 의해 초층 용접부의 Cr량은 4.0% 이상이 필요한 것이 명확하게 되었다.

다음으로, 클래딩 용접 후의 초층 용접부의 체크 분석 결과(잔부 Fe 및 불가피 불순물)을 표 6, 피복층 용접부의 체크 분석 결과(잔부 Fe 및 불가피 불순물)을 표 7에 나타냈다. 또, 고온 저 변형 속도 인장 시험을 실행한 용접 조합과 시험 결과를 표 8에 나타냈다.

체크 분석 및 고온 저 변형 속도 인장 시험은 전술과 같은 방법으로 실행했다.

표 6에 의해, 본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 Cr은 4.0~7.7 중량%인 것에 대해, 초층 와이어 No.1, 2 및 5는 Cr의 함유량이 적고, 상기 범위 밖이다. 또 본 발명에 따른 초층 용접부에 포함되는 Si 함유량의 범위에 비해서, 초층 와이어 No.2는 함유량이 적고, V 함유량의 범위에 비해 초층 와이어 No.5는 함유량이 많다.

표 8에서는, 초층에의 변형 집적이 응력 제거 소둔 깨짐의 발생 원인으로 생각할 수 있기 때문에, 초층에서 파단하고 파단 수축이 10% 이하의 경우를 (X), 초층에서 파단하고 파단 수축이 10%를 넘어 30% 미만인 경우를 (△), 피복층에서 파단하고 파단 수축이 30% 이상인 경우를 (○)로 했다. 표 8에서도 명확한 바와 같이, 본 발명의 규정 요건을 만족하는 실시예 와이어에서는 피복층 용접 금속에서 파단하고 있거나, 초층부에서 파단해도 파단 수축이 10%를 넘었고, 초층에의 변형의 집적이 인정되지 않거나, 초층에의 집적이 인정되었다고 해도 충분한 파단 수축을 구비하고 있다.

초층 용접 금속(초층 와이어 No.6)과 피복층 용접 금속(피복층 와이어 No.8)와 같이 함유하는 Cr량의 차이가 큰 경우, 하기 식에 있어서 Pcr(2)=0.66이 되고, 용접부의 경계에는 미소의 페라이트가 생성한다. 페라이트는 국소적으로 강도 저하를 유인하게 되고, 응력 제거 소둔 처리 중에 변형의 집중을 일으킬 가능성이 있기 때문에, 페라이트의 생성을 방지하는 것이 바람직하므로, 각 층의 Cr량은 이하에 나타내는 식에 있어서 0.7보다 큰 값을 만족하는 것이 바람직하다. 또, 하기 식(1)에 의해, 초층 용접부의 Cr량이 4.1% 이상이면 모재와 초층의 경계의 페라이트의 석출을 막을 수 있다.

Pcr(n)=(n층 금속 중의 Cr량)×0.65-{(n-1)층 금속 중의 Cr량-n층 금속 중의 Cr량}×0.35＞0.7…(1)

여기서, n=0은 모재를 나타내고, n=1은 초층을 나타냈다.

표 8의 결과를 받고, 표 2에서 용접 재료를 선정한 초층 용접부용 용접 재료에서 용접을 실행한 후, 초층 용접부의 응력 제거 소둔 깨짐 감수성을 평가하는 시험인 링 깨짐 시험을 실행했다. 링 깨짐 시험편 형태 및 시험편의 채취 위치를 도 4에 나타냈다.

도 4(a) 중 10은 12 Cr 로터 기재, 11은 초층 용접부이고, 12는 링 깨짐 시험편이다.

도 4(b)는, 링 깨짐 시험편(12)의 측면도를 나타내고, 도 4(c)는 링 깨짐 시험편(12)의 정면도를 나타냈다. 도 4(d)는 도 4(c)에 있어서의 A부의 확대도이다.

링 깨짐 시험편(12)은, 내경 5㎜, 외경 10㎜, 길이 20㎜의 원주 형태를 구비하고, 그 측벽에 지름 방향으로 관통하는 간극 0.3㎜의 슬릿(12a)이 축방향에 따라 형성되어 있다. 또, 슬릿(12a)의 대향측의 외주벽에, 폭 0.4㎜, 깊이 0.5㎜, 저부의 단면 형태를 곡률 0.2㎜의 만곡 형태의 U 노치(12b)가 축방향에 따라 형성되어 있다.

링 깨짐 시험편(12)은 용접열 사이클의 영향을 배제하기 위해, 모재에 임의의 용접 재료로 한층 더 쌓은 후, 용접한 상태로 원질부에 U 노치가 오도록 조정하여 채취하고 있다(도 4(a)).

채취한 시험편은 도 5에 나타내도록 화살표 방향으로 힘을 더함으로서, 슬릿(12a)을 고정하여 줄이고, TIG 용접을 하여 구속하고, U 노치(12b)의 저부에 인장 잔류 응력을 부여한다.

구속 용접한 링 깨짐 시험편(121)은, 630℃×10시간의 응력 제거 소둔 처리를 실행한 후, 2개의 시험편(N-1, N-2)을 사용하여, 1 시험편 당 3단면의 합계 6단면에 대해 관찰을 하고, 깨짐의 유무를 평가했다. 결과를 표 9에 나타냈다. 또, (1)식에 기초하여 Pcr(1)값을 산출하고, 표 9에 나타냈다.

깨짐이 발생하지 않은 경우를 ○, 깨짐이 발생한 경우를 X로 했다.

여기서, 와이어 No.3, 4 및 6을 구성하는 원소의 조성은 본 발명에 따른 초층 용접부의 범위내로, 와이어 No.1 및 5는 본 발명에 따른 초층 용접부의 범위 밖의 조성을 구비한다.

표 9의 결과에 의해, Cr 함유량에 의해 응력 제거 소둔 깨짐 감수성이 상이해지고, 고 Cr 재료 쪽이 응력 제거 소둔 깨짐 감수성은 저하했다.

이상의 실시예를 정리한 결과를 표 10에 나타냈다. 종합 평가에서는, 표 10 중의 개별 평가 항목 모두에서 ○를 ◎, △가 있는 것을 ○, 어느 하나라도 X가 있는 것을 X로 평가했다. 종합 평가 ◎는 충분히 사용 가능하다고 판단할 수 있고, 종합 평가○는 사용 가능하다고 판단할 수 있다. 종합 평가 X는 사용 불가로 판단된다.

이 결과에 의해, 본 발명에 따른 용접부 및 용접재는 초층의 응력 제거 소둔 깨짐 감수성이 낮고, 또한 고온 저 변형 속도 인장 시험에서는 초층에 변형의 집적은 없고, 피복층 용접 금속으로 파단한다. 또한, 모재, 초층, 피복층의 Cr을 고려하는 것에 의해 페라이트의 석출도 억제할 수 있다.

본 발명을 상세하게, 또한 특정한 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈할 것 없이, 다양한 변경이나 수정을 더할 수 있는 것은 다업자에게 있어서 명확한 것이다.

본 출원은 2011년 8월 17일 출원의 일본 특허 출원(특원2011-178628)에 기초하는 것으로, 그 내용은 여기에 참조로 넣는다.

1: 고 Cr 강철제 터빈 로터
2: 저널부
3: 스러스트부
10: 12 Cr 로터 기재
11: 초층 용접부
12: 링 깨짐 시험편
12a: 슬릿
12b: U 노치
13: 피복층 용접부
14: 모재
20: 체크 분석 위치
100: 구속 용접부(TIG용접/비필러)
121: 구속 용접한 링 깨짐 시험편

Claims

고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부 중의 초층 용접부로,
중량%로,
C:0.05~0.2%
Si:0.1~1.0%
Mn:0.3~1.5%
Cr:4.0~7.7% 및
Mo:0.5~1.5%
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 초층 용접부에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.2% 이하, Ni:0.3% 이하, Co:1.5% 이하, B:0.005% 이하, W:1.5% 이하 및 Nb:0.07% 이하인 고 Cr 강철제 터빈 로터의 초층 용접부.
제 1항에 있어서,
식(1)을 만족시키는 고 Cr 강철제 터빈 로터의 초층 용접부.
Pcr(1)=(초층 용접부 중의 Cr량)×0.65-(고 Cr 강철제 터빈 로터의 Cr량-초층 용접부 중의 Cr량)×0.35＞0.7…(1)
Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부 중, 제 1항 또는 제 2항에 기재된 초층 용접부를 얻기 위한 용접재료로,
중량%로,
C:0.03~0.2%
Si:0.1~1.0%
Mn:0.3~1.2%
Cr:2.0~5.5% 및
Mo:0.1~1.5%,
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 고 Cr 강철제 터빈 로터의 초층 용접부용 클래딩 용접 재료.
고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부 중, 제 1항 또는 제 2항에 기재된 초층 용접부상에 형성된 피복층 용접부로,
중량%로,
C:0.05~0.2%
Si:0.1~1.0%
Mn:0.3~2.5%
Cr:1.0~4.0% 및
Mo:0.5~1.5%,
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 피복층 용접부에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.15% 이하, Ni:0.3% 이하 및 Nb:0.07% 이하인 고 Cr 강철제 터빈 로터의 피복층 용접부.
제 4항에 있어서,
상기 피복층 용접부에 포함되는 V량이, 제 1항 또는 제 2항에 기재된 초층 용접부에 포함되는 V량보다도 적은, 고 Cr 강철제 터빈 로터의 피복층 용접부.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,
식(2)를 만족시키는 고 Cr 강철제 터빈 로터의 피복층 용접부.
Pcr(n)=(n층째 피복층 용접부 중의 Cr량)×0.65-{n-1)층째 피복층 용접부 중의 Cr량-n층째 피복층 용접부 중의 Cr량}×0.35＞0.7…(2)
다만, N은 다층 클래딩 용접부를 구성하는 층의 수를 나타내고, 2≤n≤N이다.
고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에 형성된 다층 클래딩 용접부의 초층 용접부상에 형성된 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 피복층 용접부를 얻기 위한 용접 재료로,
중량%로,
C:0.03~0.2%
Si:0.1~1.0%
Mn:0.3~3.0%
Cr:1.0~2.5% 및
Mo:0.1~1.5%,
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 상기 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 고 Cr 강철제 터빈 로터의 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료.
고 Cr 강철제 터빈 로터의 축베어링 접촉면에,
중량%로,
C:0.03~0.2%
Si:0.1~1.0%
Mn:0.3~1.2%
Cr:2.0~5.5% 및
Mo:0.1~1.5%,
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 초층 용접부용 클래딩 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 초층 용접부용 클래딩 용접 재료를 사용한 용접에 의해 제 1항 또는 제 2항에 기재된 초층 용접부를 형성하고,
상기 형성한 초층 용접부의 상층에,
중량%로,
C:0.03~0.2%
Si:0.1~1.0%
Mn:0.3~3.0%
Cr:1.0~2.5% 및
Mo:0.1~1.5%,
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 상기 불가피 불순물이, 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료에 대해 중량%로, P:0.015% 이하, S:0.015% 이하, Cu:0.2% 이하, V:0.1% 이하 및 Ni, Nb 및 Ti에 의해 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 총계가 0.2% 이하인 피복층 용접부용 클래딩 용접 재료를 사용한 용접에 의해 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 피복층 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 고 Cr 강철제 터빈 로터의 다층 클래딩 용접부의 제조 방법.