KR20170128634A - 스테인리스 부재의 열처리 방법 및 스테인리스 단조품의 제조 방법 - Google Patents

스테인리스 부재의 열처리 방법 및 스테인리스 단조품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

스테인리스 부재를 상변태하는 가열 시 상변태 온도 영역(Ar) 이상의 온도에까지 가열하는 가열 공정과, 가열 공정에서 가열된 스테인리스 부재를 상변태하는 냉각 시 상변태 온도 영역(Mr) 미만의 온도에까지 냉각하는 냉각 공정을 실행한다. 냉각 공정에서는, 냉각 시 상변태 온도 영역(Mr)을 포함하는 제어 온도 영역에서의 스테인리스 부재의 냉각을 억제한다.

Description

스테인리스 부재의 열처리 방법 및 스테인리스 단조품의 제조 방법 {METHOD FOR HEAT TREATMENT OF STAINLESS MEMBER, AND METHOD FOR PRODUCING FORGED STAINLESS PRODUCT}
본 발명은 스테인리스 부재의 열처리 방법 및 스테인리스 단조품의 제조 방법에 관한 것이다. 본원은, 2013년 10월 11일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2013-213754호에 기초하여 우선권을 주장하고, 이 내용을 여기에 원용한다.
스테인리스 부재를 단조 또는 압연에 의해 소정 형상으로 가공한 후, 단조 등이 된 스테인리스 부재에 대해, 용체화 등을 위해 열처리하는 경우가 있다.
예를 들어, 이하의 특허문헌 1에는, 1000∼1300℃의 고온하에서 단조 등을 한 스테인리스 부재를 냉각한 후, 다시, 이 스테인리스 부재에 대해 950∼1125℃의 고온하에서 열처리하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 가열 후의 스테인리스 부재를 5∼4℃/min의 냉각 속도로 급냉하고 있다.
이 특허문헌 1에 기재된 기술 외에, 본 발명과 관련되는 기술로서, 특허문헌 2에 기재되어 있는 기술이 있다. 이 기술에서는, 알루미늄 합금 부재를 열처리를 위해 가열한 후, 이 알루미늄 합금 부재에 대해, 복수의 노즐로부터 냉각 매체를 분사하여, 알루미늄 합금 부재를 급냉하고 있다. 금속 부재를 급냉하는 경우, 부재의 형상에 의해, 온도 저하되기 쉬운 부분과 온도 저하되기 어려운 부분이 발생하므로, 금속 부재 중에 고온부와 저온부가 발생한다. 이 결과, 금속 부재의 냉각 과정에서 금속 부재 중에 열응력이 발생하고, 변형이 발생한다. 따라서, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 알루미늄 합금 부재의 급냉 과정에서의 변형을 억제하기 위해, 복수의 노즐로부터 분출하는 냉각 매체의 유량 등을 조절하고 있다.
일본 특허 출원 공개 제2012-140690호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-146204호 공보
상기 특허문헌 2에 기재된 기술은, 알루미늄 합금 부재에 대한 기술이다. 스테인리스 부재는, 알루미늄 합금 부재와 다른 성질을 갖는다. 이로 인해, 스테인리스 부재를 열처리를 위해 가열한 후, 이 스테인리스 부재에 대해, 상기 특허문헌 2에 기재된 기술을 그대로 적용해도, 냉각 과정에서 변형을 억제하는 것이 어렵다.
따라서, 본 발명에서는, 스테인리스 부재를 열처리를 위해 가열한 후, 이 스테인리스 부재를 냉각하는 과정에서의 변형을 억제할 수 있는 스테인리스 부재의 열처리 방법 및 스테인리스 단조품의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 일 형태로서의 스테인리스 부재의 열처리 방법은,
스테인리스 부재를 상변태하는 가열 시 상변태 온도 영역 이상의 온도에까지 가열하는 가열 공정과, 상기 가열 공정에서 가열된 상기 스테인리스 부재를 상변태하는 냉각 시 상변태 온도 영역 미만의 온도에까지 냉각하는 냉각 공정을 실행하고, 상기 냉각 공정에서는, 상기 냉각 시 상변태 온도 영역을 포함하는 제어 온도 영역에서의 상기 스테인리스 부재의 냉각을 억제한다. 또한, 본원에 있어서의 스테인리스 부재는, 가열 공정의 과정 및 냉각 공정의 과정에서 상변태하는 것이다.
냉각 시 상변태 온도 영역에서는, 스테인리스 부재가 변형되기 쉬운 상태로 되어 있다. 당해 열처리 방법에서는, 냉각 시 상변태 온도 영역을 포함하는 온도 영역에서의 스테인리스 부재의 냉각을 억제한다. 이 결과, 당해 열처리 방법에서는, 냉각 시 상변태 온도 영역에서의 스테인리스 부재 중에 있어서의 부분 상호간에서의 온도차를 억제할 수 있고, 스테인리스 부재에 발생하는 열응력을 작게 할 수 있다. 따라서, 당해 열처리 방법에서는, 스테인리스 부재의 변형을 작게 할 수 있다.
여기서, 상기 일 형태로서의 스테인리스 부재의 열처리 방법에 있어서, 상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재에 냉각 매체를 공급해도 된다.
스테인리스 부재에 냉각 매체를 공급하는 경우, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 단위 시간당 유량은, 상기 제어 온도 영역에 이르기 직전 및 상기 제어 온도 영역을 지난 직후보다도, 상기 제어 온도 영역의 쪽이 적다.
스테인리스 부재에 냉각 매체를 공급하는 경우, 상기 냉각 공정에서 상기 스테인리스 부재의 냉각을 개시하고 나서, 상기 스테인리스 부재의 온도가 상기 냉각 시 상변태 온도 영역에 이르기까지의 시간을 미리 파악해 두고, 상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재의 냉각을 개시하고 나서, 미리 파악한 상기 시간 경과하기 전에, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 유량을 적게 해도 된다.
또한, 스테인리스 부재에 냉각 매체를 공급하는 경우, 상기 냉각 시 상변태 온도 영역에 있어서의 상변태 개시 온도를 미리 파악해 두고, 상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재가 상기 상변태 개시 온도에 이르기 전에, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 유량을 적게 해도 된다.
또한, 스테인리스 부재에 냉각 매체를 공급하는 경우, 상기 냉각 공정을 개시하고 나서 미리 정한 시간이 경과할 때까지, 또는 상기 냉각 공정을 개시하고 나서 상기 스테인리스 부재가 미리 정한 온도가 될 때까지, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 유량을 서서히 증가시켜도 된다.
스테인리스 부재를 가열로에 넣어 스테인리스 부재를 가열한 후, 스테인리스 부재를 가열로로부터 내보내어 냉각하는 경우, 냉각 공정에서의 스테인리스 부재의 분위기 온도는 기본적으로 상온이므로, 가열 공정의 종료 직전으로부터 냉각 공정 개시 직후에 걸쳐, 스테인리스 부재의 분위기 온도가 급격하게 저하된다. 따라서, 당해 열처리 방법에서는, 냉각 공정을 개시하고 나서 미리 정한 시간이 경과할 때까지, 또는 냉각 공정을 개시하고 나서 스테인리스 부재가 미리 정한 온도가 될 때까지, 스테인리스 부재에 공급하는 냉각 매체의 유량을 서서히 증가시키고, 스테인리스 부재의 온도 변화를 억제하고 있다. 이 결과, 당해 열처리 방법에서는, 스테인리스 부재 중에 있어서의 부분 상호간에서의 온도차를 억제할 수 있고, 스테인리스 부재의 변형을 작게 할 수 있다.
또한, 이상의 각 스테인리스 부재의 열처리 방법에 있어서, 상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재 중에서 단위 질량당 표면적이 큰 부분인 대표면적부에, 상기 대표면적부를 덮는 피복재를 설치해도 된다.
스테인리스 부재 중에서, 단위 질량당 표면적이 큰 대표면적부는, 단위 질량당 표면적이 작은 소표면적부에 비해 냉각되기 쉬워, 냉각 속도가 크다. 당해 열처리 방법에서는, 냉각되기 쉬운 대표면적부를 피복재로 덮으므로, 대표면적부의 냉각 속도를 억제할 수 있다. 이로 인해, 당해 열처리 방법에서는, 냉각 시 상변태 온도 영역을 포함하여, 스테인리스 부재 중의 대표면적부의 냉각을 억제할 수 있다. 따라서, 당해 열처리 방법에서는, 대표면적부와 소표면적부 사이의 온도차를 억제할 수 있고, 스테인리스 부재의 변형을 작게 할 수 있다.
여기서, 피복재를 설치하는 경우, 상기 피복재로 덮고 있지 않은 부분에 있어서의 단위 질량당 방열량에, 상기 피복재로 덮은 상기 대표면적부의 단위 질량당 방열량을 근접시켜도 된다.
또한, 상기 피복재를 설치하는 경우, 상기 피복재는, 상기 스테인리스 부재와 동일한 재료로 형성해도 된다.
당해 열처리 방법에서는, 스테인리스 부재와 피복재의 열팽창률이 동일해지고, 냉각 과정에서 스테인리스 부재와 피복재가 일체적으로 수축하고, 스테인리스 부재와 피복재 사이의 열전도를 거의 일정하게 할 수 있다. 또한, 열팽창률을 제외한 열전도율 등의 열적 성질도, 스테인리스 부재와 피복재에서 동일해진다. 이로 인해, 당해 열처리 방법에서는, 피복재로 덮여 있지 않은 소표면적부로부터의 방열량과, 이 피복재로 덮은 대표면적부로부터의 방열량을 거의 동일하게 하는 피복재의 각종 치수 결정을 용이하게 행할 수 있다.
또한, 상기 피복재를 설치하는 경우, 상기 가열 공정의 개시 전에, 상기 스테인리스 부재에 상기 피복재를 설치해도 된다.
당해 열처리 방법에서는, 냉각 공정의 개시 시에 있어서, 스테인리스 부재와 피복재 사이의 온도차를 실질적으로 없앨 수 있고, 피복재의 설치 시에 있어서의 온도차에 기초하는 열변형의 발생을 억제할 수 있다.
이상의 각 스테인리스 부재의 열처리 방법에 있어서, 상기 스테인리스 부재는, 석출 경화형 스테인리스로 형성되어 있어도 된다.
상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 일 형태로서의 스테인리스 부재의 열처리 방법은,
스테인리스 부재를 단조에 의해 소정 형상으로 가공하는 단조 공정을 실행한 후, 상기 단조 공정을 거친 상기 스테인리스 부재에 대해, 이상의 각 스테인리스 부재의 열처리 방법 중 어느 하나를 실행한다.
이 경우, 상기 스테인리스 단조품은, 증기 터빈의 날개여도 된다.
본 발명의 일 형태에서는, 냉각 시 상변태 온도 영역에서의 스테인리스 부재 중에 있어서의 부분 상호간에서의 온도차를 억제할 수 있고, 스테인리스 부재에 발생하는 열응력을 작게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 스테인리스 부재의 변형을 작게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 있어서의 동익의 제조 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 있어서의 동익의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 있어서의 동익(스테인리스 부재)의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 있어서의 가열 공정을 도시하는 설명도이다.
도 5는 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 있어서의 냉각 공정을 도시하는 설명도이다.
도 6은 석출 경화형 스테인리스의 온도 변화에 수반하는 변형의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 있어서의 시간 경과에 수반하는 냉각 매체의 유량 및 스테인리스 부재의 최대 온도차의 변화를 나타내고, 도 7의 (a)는 시간 경과에 수반하는 냉각 매체의 유량 변화를 나타내는 그래프이며, 도 7의 (b)는 스테인리스 부재의 최대 온도차의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 관한 제2 실시 형태에 있어서의 동익(스테인리스 부재) 및 피복재의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 관한 제2 실시 형태에 있어서의 냉각 공정을 도시하는 설명도이다.
도 10은 본 발명에 관한 제2 실시 형태에 있어서의 시간 경과에 수반하는 냉각 매체의 유량 및 스테인리스 부재의 최대 온도차의 변화를 나타내고, 도 10의 (a)는 시간 경과에 수반하는 냉각 매체의 유량 변화를 나타내는 그래프이며, 도 10의 (b)는 스테인리스 부재의 최대 온도차의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 관한 각종 실시 형태 및 각종 변형예에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.
「제1 실시 형태」
우선, 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 대해, 도 1∼도 7을 참조하면서 설명한다.
*본 실시 형태에서는, 증기 터빈의 동익을 제조한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 증기 터빈의 동익(10)은, 날개 본체(11)와, 이 날개 본체(11)의 한쪽의 단부인 선단부(12)에 설치되어 있는 슈라우드(17)와, 이 날개 본체(11)의 다른 쪽의 단부인 기부(13)에 설치되어 있는 플랫폼(18)과, 플랫폼(18)의 타측에 설치되어 있는 익근(19)을 갖는다. 이 동익은, 예를 들어 석출 경화형 스테인리스로 형성되어 있다.
익근(19)은, 증기 터빈의 로터축에 장착된다. 이로 인해, 익근(19)은, 로터축이 회전하고 있을 때에, 이 로터축으로부터 빠지지 않도록, 예를 들어 크리스마스 트리 형상을 이루고 있다. 날개 본체(11)는, 기부(13)로부터 선단부(12)를 향하는 날개 길이 방향 Da에 대해 수직한 단면 형상이, 도 3에 도시하는 바와 같이, 방추형을 이루고 있다. 더욱 구체적으로는, 날개 본체(11)의 단면 형상은, 날개 전단(14)으로부터 날개 후단(15)을 향함에 따라 날개 두께 치수가 점차 증가하고, 날개 전단(14)과 날개 후단(15)의 중앙부 부근으로부터, 날개 후단(15)을 향함에 따라 날개 두께 치수가 점차적으로 감소한다.
다음으로, 도 1에 나타내는 흐름도에 따라, 이상에서 설명한 동익의 제조 방법에 대해 설명한다.
우선, 예를 들어 석출 경화형 스테인리스로 형성된 스테인리스 부재를 예를 들어 1000℃ 이상으로 가열하여, 단조에 의해, 도 2에 도시하는 형상과 거의 동일한 형상으로 가공한다(S1:단조 공정).
다음으로, 단조 공정(S1)을 거쳐 상온까지 냉각된 스테인리스 부재로부터, 그 외주에 형성되어 있는 버어를 제거한다(S2:버어 제거 공정).
다음으로, 버어 제거 공정(S2)을 거친 스테인리스 부재를 다시 가열한다(S3:가열 공정). 이 가열 공정(S3)에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 버어 제거 공정(S2)을 거친 스테인리스 부재(10a)를 금속제의 바스킷(20)에 넣고 나서, 바스킷(20)마다 스테인리스 부재(10a)를 가열로(25) 내에 넣는다. 바스킷(20)은, 외부로부터 내부에 공기를 공급할 수 있도록, 다수의 개구가 형성되어 있다. 이 가열 공정(S3)에서는, 가열로(25) 내에서 스테인리스 부재(10a)를 예를 들어 1000℃ 이상으로 가열하고, 이 온도를 소정 시간 유지함으로써, 이 스테인리스 부재(10a)에 대해 용체화 처리를 실시한다.
가열 공정(S3)이 종료되면, 도 5에 도시하는 바와 같이, 가열로(25)로부터 바스킷(20)마다 가열 공정(S3)을 거친 스테인리스 부재(10b)를 취출하고, 팬(31)으로 냉각 매체로서의 공기를 스테인리스 부재(10b)로 보내고, 이 스테인리스 부재(10b)를 강제 냉각한다(S4:냉각 공정). 이 냉각 공정(S4)에서는, 제어 장치(30)에 의해, 팬(31)의 구동량, 즉, 스테인리스 부재(10b)로 보내는 공기의 유량을 제어한다. 제어 장치(30)에는, 팬(31)의 구동량, 및 팬(31)의 구동량의 변화 타이밍(구동 개시로부터의 시간)이 미리 설정되어 있다. 제어 장치(30)는, 이 설정값에 기초하여, 팬(31)을 구동 제어한다.
여기서, 스테인리스 부재(10b)를 형성하는 석출 경화형 스테인리스의 온도와 변형의 관계에 대해, 도 6을 사용하여 설명한다.
상온에서의 석출 경화형 스테인리스는, 조직 구조가 마르텐사이트상 α'이다. 이 마르텐사이트상 α'에 있어서의 결정 구조는, 체심 입방 격자이다. 이 석출 경화형 스테인리스는, 가열되어, 예를 들어 600℃ 정도가 되면, 조직 구조가 마르텐사이트상 α'로부터 오스테나이트상 γ로 서서히 상변태를 개시한다. 이 석출 경화형 스테인리스는, 더욱 가열되어, 예를 들어 수십℃ 가열되면, 상변태가 종료되고, 완전히, 오스테나이트상 γ의 조직 구조가 된다. 이 오스테나이트상 γ에 있어서의 결정 구조는 면심 입방 격자이다. 가열 시에 있어서의 상변태의 개시 온도인 가열 시 상변태 개시 온도 As로부터, 가열 시에 있어서의 상변태의 종료 온도인 가열 시 상변태 종료 온도 Af까지의 온도 영역은, 가열 시 상변태 온도 영역 Ar이다. 석출 경화형 스테인리스는, 더욱 가열되어, 전술한 용체화 처리를 실시하는 1000℃ 이상의 온도가 되어도, 조직 구조는 오스테나이트상 γ이다.
석출 경화형 스테인리스는, 상온으로부터 가열 시 상변태 개시 온도 As에 이르기까지의 사이에, 온도와 열변형의 관계는 거의 정비례의 관계이며, 온도 상승에 수반하여 열변형이 증가한다. 즉, 석출 경화형 스테인리스는, 가열 시 상변태 개시 온도 As에 이르기까지의 사이에, 온도 상승에 수반하여 체적 팽창한다. 이 석출 경화형 스테인리스는, 가열 시 상변태 온도 영역 Ar에서는, 온도 상승에 대해 열변형이 그다지 증가하지 않는다. 즉, 석출 경화형 스테인리스는, 가열 시 상변태 온도 영역 Ar에서는, 온도 상승에 대해 체적은 거의 증가하지 않는다. 마르텐사이트상 α'의 결정 구조인 체심 입방 격자의 체적에 대해, 오스테나이트상 γ의 결정 구조인 면심 입방 격자의 체적은 작다. 이로 인해, 마르텐사이트상 α'로부터 오스테나이트상 γ로의 상변태 중에서는, 온도 상승해도 체적은 거의 증가하지 않는다. 석출 경화형 스테인리스는, 가열 시 상변태 온도 영역 Ar보다도 높은 온도 영역에서는, 온도와 열변형의 관계는 거의 정비례의 관계이며, 온도 상승에 수반하여 열변형이 증가한다.
석출 경화형 스테인리스는, 전술한 용체화 처리를 실시하는 1000℃ 이상의 온도로부터 냉각되어, 예를 들어 150℃ 정도가 되면, 조직 구조가 오스테나이트상 γ로부터 마르텐사이트상 α'로 서서히 상변태를 개시한다. 이 석출 경화형 스테인리스는, 더욱 냉각되어, 예를 들어 수십℃ 냉각되면, 상변태가 종료되고, 완전히 마르텐사이트상 α'의 조직 구조가 된다. 냉각 시에 있어서의 상변태의 개시 온도인 냉각 시 상변태 개시 온도 Ms로부터, 냉각 시에 있어서의 상변태의 종료 온도인 냉각 시 상변태 종료 온도 Mf까지의 온도 영역은, 냉각 시 상변태 온도 영역 Mr이다.
석출 경화형 스테인리스는, 전술한 용체화 처리를 실시하는 1000℃ 이상의 온도로부터 냉각 시 상변태 개시 온도 Ms에 이르기까지의 사이에, 온도와 열변형의 관계는 거의 정비례의 관계이며, 온도 저하에 수반하여 열변형이 감소한다. 이 석출 경화형 스테인리스는, 냉각 시 상변태 온도 영역 Mr에서는, 반대로, 온도 저하에 대해 열변형이 증가한다. 석출 경화형 스테인리스는, 냉각 시 상변태 온도 영역 Mr보다도 낮은 온도 영역에서는, 온도와 열변형의 관계는 거의 정비례의 관계이며, 온도 저하에 수반하여 열변형이 감소한다.
이상, 석출 경화형 스테인리스에 대해 설명하였지만, 마르텐사이트계 스테인리스, 페라이트계 스테인리스, 오스테나이트·페라이트 2층 스테인리스도, 석출 경화형 스테인리스와 기본적으로 마찬가지로, 가열 시 및 냉각 시에 상변태가 일어난다. 또한, 이들 스테인리스의 온도와 변형의 관계도, 기본적으로, 석출 경화형 스테인리스의 온도와 변형의 관계와 마찬가지이다. 한편, 배경기술의 란에서 설명한 특허문헌 2에서 열처리 대상으로 하고 있는 알루미늄 합금 부재는, 상온으로부터 예를 들어 용체화 처리를 실시하는 온도까지의 사이에서 상변태는 일어나지 않는다.
금속 부재는, 그 형상에 따라, 냉각되기 쉬운(바꾸어 말하면 가열되기 쉬운) 부분과, 냉각되기 어려운(바꾸어 말하면 가열되기 어려운) 부분이 있다. 금속 부재에서 냉각되기 쉬운 부분은, 구체적으로는, 단위 질량당 표면적이 큰 대표면적부이며, 금속 부재에서 냉각되기 어려운 부분은, 단위 질량당 표면적이 작은 소표면적부이다. 예를 들어, 본 실시 형태의 경우, 도 3에 도시하는 바와 같이, 날개 본체(11)에 있어서의 날개 전단(14)을 포함하는 날개 전단부(14a) 및 날개 후단(15)을 포함하는 날개 후단부(15a)는, 이들 날개 전단부(14a)와 날개 후단부(15a) 사이의 날개 중앙부에 비해, 날개 두께 치수가 작으므로, 단위 질량당 표면적이 큰 대표면적부(A)를 이루고, 냉각되기 쉬운 부분을 이룬다. 한편, 날개 전단부(14a)와 날개 후단부(15a) 사이의 날개 중앙부는, 단위 질량당 표면적이 작은 소표면적부(B)를 이루고, 냉각되기 어려운 부분을 이룬다. 이러한 금속 부재를 가열 또는 냉각하면, 금속 부재 중에 고온부와 저온부가 발생한다. 이 결과, 금속 부재를 가열 또는 냉각하는 과정에서, 금속 부재 중에 열응력이 발생하고, 변형이 발생한다.
금속 부재를 가열로(25)에서 가열하는 경우, 금속 부재가 배치되어 있는 가열로(25) 내의 온도, 즉, 분위기 온도의 상승에 수반하여, 금속 부재의 온도가 상승한다. 한편, 금속 부재를 가열로(25)로부터 내보내어 냉각하는 경우, 금속 부재의 온도에 대해, 그 분위기 온도가 상온이며, 금속 부재의 온도와 그 분위기 온도의 온도차가 크므로, 가열 시의 온도 상승율에 대해 냉각 시의 온도 저하율의 쪽이 기본적으로 크다. 이로 인해, 가열 시에는, 금속 부재 중의 고온부와 저온부의 온도차가 작지만, 냉각 시에는 금속 부재 중의 고온부와 저온부의 온도차가 커진다. 따라서, 냉각 시에 있어서의 금속 부재 중의 고온부와 저온부의 온도차를 억제하는 것이, 열응력의 발생을 억제하고, 변형의 억제에 연결된다.
따라서, 본 실시 형태의 냉각 공정(S4)에서는, 전술한 바와 같이, 스테인리스 부재(10b)로 보내는 공기의 유량을 제어한다.
도 7을 사용하여, 본 실시 형태의 냉각 공정(S4)에 있어서의 냉각 매체의 유량 제어에 대해 설명한다.
냉각 공정(S4)이 개시되면, 제어 장치(30)는, 팬(31)을 구동하고, 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 팬(31)의 구동 개시로부터(t0), 미리 정한 제1 시간 경과할 때까지(t1), 이 팬(31)의 구동량을 서서히 증가시킨다. 본 실시 형태에서는, 팬(31)의 구동 개시로부터(t0), 미리 정한 제1 시간 경과할 때까지(t1)의 사이를 제1 제어 온도 영역 C1로 하고, 이 제1 제어 온도 영역 C1에서는, 스테인리스 부재(10b)로 보내지는 단위 시간당 냉각 매체(공기)의 유량을 서서히 증가시키고 있다.
제어 장치(30)는, 팬(31)의 구동 개시로부터(t0), 미리 정한 제1 시간 경과하면(t1), 팬(31)의 구동량을 일정하게 한다. 즉, 제어 장치(30)는, 스테인리스 부재(10b)로 보내지는 단위 시간당 공기 유량을 일정하게 한다. 이 단위 시간당 공기 유량을 일정하게 하는 타이밍, 바꾸어 말하면, 제1 제어 온도 영역 C1의 종료 타이밍은, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 냉각 시 상변태 개시 온도 Ms에 이르기 전이다.
제어 장치(30)는, 팬(31)의 구동 개시로부터(t0), 미리 정한 제2 시간 경과하면(t2), 팬(31)의 구동량을 급격하게 작게 하고 나서, 이 구동량을 유지한다. 즉, 제어 장치(30)는, 팬(31)의 구동 개시로부터(t0), 미리 정한 제2 시간 경과하면(t2), 스테인리스 부재(10b)로 보내지는 단위 시간당 공기 유량을 급격하게 적게 하고, 이 공기 유량을 유지한다. 이 단위 시간당 공기 유량을 급격하게 적게 하는 타이밍(t2)은, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 냉각 시 상변태 개시 온도 Ms에 이르는 시각(t3)의 직전이다.
제어 장치(30)는, 팬(31)의 구동량을 급격하게 작게 하고 나서(t2), 미리 정한 제3 시간 경과하면(t5), 팬(31)의 구동량을 급격하게 크게 하고, 팬(31)의 구동량을 급격하게 작게 한 시각(t2) 이전의 구동량으로 되돌린다. 즉, 제어 장치(30)는, 단위 시간당 공기 유량을 급격하게 적게 하고 나서(t2), 미리 정한 제3 시간 경과하면(t5), 단위 시간당 공기 유량을 급격하게 증가시키고, 공기 유량을 급격하게 적게 한 시각(t2) 이전의 공기 유량으로 되돌린다. 이 단위 시간당 공기 유량을 급격하게 증가시키는 타이밍(t5)은, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 냉각 시 상변태 종료 온도 Ms에 이른 시각(t4)의 직후이다.
본 실시 형태에서는, 냉각 시 상변태 온도 영역 Mr을 포함하는 온도 영역, 즉, 냉각 시 상변태 개시 온도 Ms보다도 약간 높은 온도로부터 냉각 시 상변태 종료 온도 Mf보다도 약간 낮은 온도의 온도 영역을 제2 제어 온도 영역 C2로 하고 있다. 본 실시 형태에서는, 제2 제어 온도 영역 C2에 이르기 직전 및 제2 제어 온도 영역 C2를 지난 직후보다도, 제2 제어 온도 영역 C2의 공기 유량을 적게 하고 있다.
제어 장치(30)는, 팬(31)의 구동량을 급격하게 크게 하면(t5), 이후, 커진 팬(31)의 구동량을 유지한다. 즉, 제어 장치(30)는, 단위 시간당 공기 유량을 급격하게 증가시키면(t5), 이후, 증가한 단위 시간당 공기 유량을 유지한다.
스테인리스 부재(10b)를 가열로(25)로부터 내보내어, 이 스테인리스 부재(10b)에 팬(31)으로부터 공기를 보내기 시작하면, 스테인리스 부재(10b)의 분위기 온도가 급격하게 저하된다. 또한, 가령, 도 7의 (a) 중에서 2점 파선으로 나타내는 바와 같이, 냉각 공정(S4)의 개시 시로부터, 단위 시간당 공기 유량이 일정하며, 또한 그 공기 유량이 많으면, 스테인리스 부재(10b)의 온도는, 급격하게 저하된다.
스테인리스 부재(10b)의 온도가 급격하게 저하되면, 스테인리스 부재(10b)의 대표면적부(A)와 소표면적부(B)의 온도차가 커지고, 큰 변형이 발생한다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 냉각 공정(S4)의 개시 시각 t0으로부터 제1 시간 경과할 때까지(t1)의 제1 온도 제어 영역 C1에서는, 팬(31)의 구동량을 서서히 증가시키고 있다. 이로 인해, 초기 냉각 시간대인 제1 온도 제어 영역 C1에서의 스테인리스 부재(10b)의 최대 온도차는, 도 7의 (b) 중에서 2점 파선으로 나타내는 바와 같이, 냉각 공정(S4)의 개시 시로부터, 단위 시간당 공기 유량이 일정하며, 또한 그 공기 유량이 많은 경우에 비해, 본 실시 형태의 쪽이 작아진다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 이 초기 냉각 시간대에 있어서의 변형을 억제할 수 있다.
상변태 중의 스테인리스 부재(10b)는, 상변태되고 있지 않은 상태에서의 스테인리스 부재(10b)보다도, 작은 응력으로 큰 변형이 발생한다. 이로 인해, 상변태하고 있지 않은 상태에서의 스테인리스 부재(10b)의 대표면적부(A)와 소표면적부(B)의 온도차보다도, 상변태 중의 스테인리스 부재(10b)의 대표면적부(A)와 소표면적부(B)의 온도차를 작게 하여, 상변태 중에 있어서의 열응력의 발생을 억제하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 도 7의 (a)를 사용하여 전술한 바와 같이, 냉각 시 상변태 온도 영역 Mr을 포함하는 제2 제어 온도 영역 C2에 이르기 직전 및 제2 제어 온도 영역 C2를 지난 직후보다도, 제2 제어 온도 영역 C2의 공기 유량을 적게 하고 있다. 이로 인해, 본 실시 형태에서는, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 냉각 시 상변태 온도 영역 Mr을 포함하는 제2 제어 온도 영역 C2에서의 최대 온도차가, 제2 제어 온도 영역 C2에 이르기 직전 및 제2 제어 온도 영역 C2를 지난 직후보다도 작아지고, 상변태 중의 열응력의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 상변태 중에 있어서의 변형을 억제할 수 있다.
냉각 공정(S4)이 종료되고, 스테인리스 부재(10b)가 상온이 되면, 이 스테인리스 부재(10b)에 대해 마무리 가공을 실시한다(S5:마무리 공정). 이 마무리 공정(S5)에서는, 스테인리스 부재(10b)의 각 부의 치수가 허용 치수의 범위 내가 되도록, 스테인리스 부재(10b)에 대해 연삭 또는 연마 등의 기계 가공을 실시한다. 또한, 필요에 따라, 기계 가공 후의 스테인리스 부재(10b)의 표면을 표면 처리한다.
이상에서, 단조품으로서의 동익이 완성된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 냉각 공정(S4)에 있어서, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 급격하게 변화하는 초기 냉각 시간대, 및 변형되기 쉽게 되어 있는 상변태 중에서의 공기 유량을 제어함으로써, 초기 냉각 시간대 및 상변태 중의 변형을 작게 하고 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 냉각 공정(S4) 종료 후에 있어서의 스테인리스 부재(10b)의 변형 및 잔류 응력을 작게 할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 냉각 공정(S4) 종료 후에, 스테인리스 부재(10b)에 대해 기계 가공 등을 실시하는 마무리 공정(S5)을 실행한다. 이 기계 가공 전에 있어서의 스테인리스 부재(10b)의 잔류 응력이 있으면, 기계 가공으로 잔류 응력이 해방되어, 이 잔류 응력의 해방에 수반하는 변형이 발생한다. 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, 냉각 공정(S4) 종료 후에 있어서의 스테인리스 부재(10b)의 잔류 응력을 작게 할 수 있으므로, 기계 가공으로 잔류 응력이 해방되어도, 이 잔류 응력의 해방에 수반하는 변형을 작게 할 수 있다.
여기서, 본 실시 형태의 제어 장치(30)는, 팬(31)의 구동 개시로부터의 미리 정해져 있는 시간이 경과하면, 팬(31)의 구동량의 변화 타이밍인 것으로 하여, 팬(31)의 구동량을 변화시키고 있다. 그러나, 본 실시 형태에 있어서, 도 5에 도시하는 바와 같이, 냉각 공정(S4) 중의 스테인리스 부재(10b)의 온도를 검지하는 온도 센서(39)를 설치하고, 제어 장치(30)는, 이 온도 센서(39)에서 검지된 스테인리스 부재(10b)의 온도가 미리 정해진 온도가 되면, 팬(31)의 구동량의 변화 타이밍인 것으로 하여, 팬(31)의 구동량을 변화시켜도 된다. 스테인리스 부재(10b)의 미리 정해진 온도로서는, 제1 온도 제어 영역 C1의 제어 종료 온도, 제2 온도 제어 영역 C2의 제어 개시 온도 및 제어 종료 온도가 있다. 제2 온도 제어 영역 C2의 제어 개시 온도는, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 냉각 시 상변태 개시 온도 Ms보다도 약간 높은 온도이다. 또한, 제2 온도 제어 영역 C2의 제어 종료 온도는, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 냉각 시 상변태 종료 온도 Mf보다도 약간 낮은 온도이다. 이들 온도를 검지하는 온도 센서(39)로서는, 예를 들어 비접촉식 적외 온도계나 열전대 등이 있다.
「제2 실시 형태」
다음으로, 본 발명에 관한 제2 실시 형태에 대해, 도 8∼도 10을 참조하면서 설명한다.
본 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 증기 터빈의 동익을 제조한다. 또한, 본 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 단조 공정(S1), 버어 제거 공정(S2), 가열 공정(S4), 냉각 공정(S4), 마무리 공정(S5)을 실행함으로써, 증기 터빈의 동익을 제조한다. 단, 본 실시 형태에서는, 냉각 공정(S4)에 있어서의 스테인리스 부재(10b)의 냉각 방법이 제1 실시 형태와 다르다.
본 실시 형태의 냉각 공정(S4)에서는, 냉각 대상인 스테인리스 부재(10b) 중의 대표면적부(A)를 피복재(40)로 덮어, 이 대표면적부(A)의 냉각을 억제한다. 구체적으로, 본 실시 형태에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 단조된 동익의 중간품인 스테인리스 부재(10b) 중, 날개 본체(11b)에 있어서의 날개 전단(14)을 포함하는 날개 전단부(14a) 및 날개 후단(15)을 포함하는 날개 후단부(15a)는, 모두 단위 질량당 표면적이 큰 대표면적부(A)를 이룬다. 본 실시 형태에서는, 이 대표면적부(A)를 전술한 바와 같이 피복재(40)로 덮는다. 단, 본 실시 형태에서는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 날개 본체(11)의 날개 전단부(14a)이며, 날개 본체(11)의 날개 길이 방향 Da의 중간부만을 피복재(40)로 덮는다. 마찬가지로, 날개 본체(11)의 날개 후단부(15a)이며, 날개 본체(11)의 날개 길이 방향 Da의 중간부만을 피복재(40)로 덮는다. 이것은, 날개 본체(11)의 기부(13)측의 날개 전단부(14a) 및 날개 후단부(15a)는, 날개 길이 방향 Da의 중간부로부터 선단부(12)에 있어서의 날개 전단부(14a) 및 날개 후단부(15a)보다도 열변형이 작기 때문이다. 또한, 날개 본체(11)의 중간부에 있어서의 변형은, 선단부(12)에도 변위로서 반영되는 것에 반해, 선단부(12)에 있어서의 변형은, 중간부측에는 반영되지 않고, 또한, 용이하게 수정 가능하기 때문이다.
피복재(40)는, 피복재(40)로 덮여 있지 않은 소표면적부(B)로부터의 방열량에 대해, 이 피복재(40)로 덮은 대표면적부(A)로부터의 방열량이 근접하도록 하여, 소표면적부(B)와 대표면적부(A)의 온도차를 작게 하기 위한 역할을 담당한다. 이로 인해, 피복재(40)는, 상기 역할을 담당할 수 있으면, 어떠한 재료로 형성되어 있어도 되고, 단열재, 강, 알루미늄 합금, 스테인리스 등의 어느 것이어도 된다.
본 실시 형태의 냉각 공정(S4)에서도, 도 9에 도시하는 바와 같이, 팬(31)을 구동하여, 스테인리스 부재(10b)를 강제 냉각한다. 단, 본 실시 형태에 있어서, 냉각 공정(S4)의 개시로부터 종료까지의 사이에, 스테인리스 부재(10b)로 보내는 단위 시간당 공기의 유량은, 도 10의 (a)에 나타내는 바와 같이, 일정하다.
그러나, 본 실시 형태에서는, 스테인리스 부재(10b) 중의 냉각되기 쉬운 부분인 대표면적부(A)를 피복재(40)로 덮고 있으므로, 대표면적부(A)의 방열량이 소표면적부(B)의 방열량에 근접한다. 이로 인해, 본 실시 형태에서는, 스테인리스 부재(10b)에 있어서의 최대 온도차(실선으로 나타냄)를, 도 10의 (b)에 나타내는 바와 같이, 이 대표면적부(A)를 피복재(40)로 덮지 않고 또한 스테인리스 부재(10b)로 보내는 단위 시간당 공기의 유량을 일정하게 한 경우의 스테인리스 부재(10b)에 있어서의 최대 온도(2점 쇄선으로 나타냄)보다도 작게 할 수 있다.
따라서, 본 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 냉각 공정(S4)에 있어서, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 급격하게 변화하는 초기 냉각 시간대, 및 변형되기 쉽게 되어 있는 냉각 시 상변태 온도 영역 Mr을 포함하는 온도 영역에서의 변형을 작게 할 수 있다. 이로 인해, 본 실시예에서도, 냉각 공정(S4) 종료 후에 있어서의 스테인리스 부재(10b)의 변형 및 잔류 응력을 작게 할 수 있다.
여기서, 피복재(40)를 가열 공정(S4)의 개시 전의 스테인리스 부재에 설치해도 된다. 이 경우, 냉각 공정(S4)의 개시 시에 있어서, 스테인리스 부재(10b)와 피복재(40) 사이의 온도차를 실질적으로 없앨 수 있고, 피복재(40)의 설치 시에 있어서의 온도차에 기초하는 열변형의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 피복재(40)는, 냉각 대상인 스테인리스 부재(10b)와 동일한 재료여도 된다. 이 경우, 냉각 대상과 피복재(40)의 열팽창률이 동일해지고, 냉각 과정에서 냉각 대상과 피복재(40)가 일체적으로 수축하고, 냉각 대상과 피복재(40) 사이의 열전도를 거의 일정하게 할 수 있다. 또한, 열팽창률을 제외한 열전도율 등의 열적 성질도, 냉각 대상과 피복재(40)에서 동일해진다. 이로 인해, 이 경우, 피복재(40)로 덮여 있지 않은 소표면적부(B)로부터의 방열량과, 이 피복재(40)로 덮은 대표면적부(A)로부터의 방열량을 거의 동일하게 하는 피복재(40)의 각종 치수 결정을 용이하게 행할 수 있다.
또한, 여기서는, 냉각 공정(S4)의 개시로부터 종료까지의 사이에, 스테인리스 부재(10b)로 보내는 단위 시간당 공기의 유량을 일정하게 하고 있다. 그러나, 본 실시 형태에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 스테인리스 부재(10b)의 온도가 급격하게 변화하는 초기 냉각 시간대, 및 변형되기 쉽게 되어 있는 상변태 중에서의 공기 유량을 제어해도 된다.
「변형예」
이상의 실시 형태는, 단조 공정(S1)을 거친 후에, 가열 공정(S3) 및 냉각 공정(S4)을 실행한다. 그러나, 단조 공정(S1) 대신에 압연 공정을 실행하고, 이 압연 공정 및 가열 공정을 거친 후에, 이상과 마찬가지의 냉각 공정을 실행해도 된다. 또한, 단조 공정이나 압연 공정을 거치지 않고, 가열 공정 및 냉각 공정을 실행해도 된다.
또한, 이상의 실시 형태는, 증기 터빈의 동익(10)이 제조 대상이다. 그러나, 가열 공정 및 냉각 공정을 실시하는 스테인리스 부재라면, 어떠한 것을 대상으로 해도 된다.
이상의 실시 형태는, 석출 경화형 스테인리스로 스테인리스 부재를 형성하는 예이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 마르텐사이트계 스테인리스, 페라이트계 스테인리스, 오스테나이트·페라이트 2층 스테인리스도, 석출 경화형 스테인리스와 기본적으로 마찬가지로, 가열 시 및 냉각 시에 상변태가 일어나므로, 이들로 스테인리스 부재를 형성하는 경우도, 이상의 실시 형태와 마찬가지로 냉각 공정을 실행해도 된다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 스테인리스 부재의 변형을 작게 할 수 있다.
10 : 동익
10a, 10b : 스테인리스 부재
11, 11b : 날개 본체
14 : 날개 전단
15 : 날개 후단
31 : 팬
30 : 제어 장치
40 : 피복재
A : 대표면적부
B : 소표면적부

Claims (13)

  1. 스테인리스 부재를 1000℃ 이상의 온도에까지 가열하고, 상기 온도를 소정 시간 유지하는 용체화 처리를 포함하는 가열 공정과,
    상기 가열 공정에서 가열된 상기 스테인리스 부재를 상변태하는 냉각 시 상변태 온도 영역 미만의 온도에까지 냉각하는 냉각 공정을 실행하고,
    상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재에 냉각 매체를 공급하고, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 단위 시간당 유량을, 상기 냉각 공정을 개시하고 나서 상기 냉각 시 상변태 온도 영역에 이르기 전의 미리 정한 시간이 경과할 때까지, 또는 상기 냉각 공정을 개시하고 나서 상기 스테인리스 부재가 상기 냉각 시 상변태 온도 영역에 이르기 전의 미리 정한 온도가 될 때까지, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 유량을 서서히 증가시키고, 상기 냉각 시 상변태 온도 영역을 포함하는 제어 온도 영역에 이르기 직전 및 상기 제어 온도 영역을 지난 직후보다도, 상기 제어 온도 영역의 쪽을 적게 하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 공정에서 상기 스테인리스 부재의 냉각을 개시하고 나서, 상기 스테인리스 부재의 온도가 상기 냉각 시 상변태 온도 영역에 이르기까지의 시간을 미리 파악해 두고,
    상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재의 냉각을 개시하고 나서, 미리 파악한 상기 시간 경과하기 전에, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 유량을 적게 하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 시 상변태 온도 영역에 있어서의 상변태 개시 온도를 미리 파악해 두고,
    상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재가 상기 상변태 개시 온도에 이르기 전에, 상기 스테인리스 부재에 공급하는 상기 냉각 매체의 유량을 적게 하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재 중에서 단위 질량당 표면적이 큰 부분인 대표면적부에, 상기 대표면적부를 덮는 피복재를 설치하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 피복재는, 상기 스테인리스 부재와 동일한 재료로 형성하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  6. 스테인리스 부재를 1000℃ 이상의 온도에까지 가열하고, 상기 온도를 소정 시간 유지하는 용체화 처리를 포함하는 가열 공정과,
    상기 가열 공정에서 가열된 상기 스테인리스 부재를 상변태하는 냉각 시 상변태 온도 영역 미만의 온도에까지 냉각하는 냉각 공정을 실행하고,
    상기 냉각 공정에서는, 상기 스테인리스 부재 중에서 단위 질량당 표면적이 큰 부분인 대표면적부에, 상기 대표면적부를 덮는 피복재를 설치하고,
    상기 피복재는, 상기 스테인리스 부재와 동일한 재료로 형성하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  7. 제4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 피복재로 덮고 있지 않은 부분에 있어서의 단위 질량당 방열량에, 상기 피복재로 덮은 상기 대표면적부의 단위 질량당 방열량을 근접시키는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  8. 제4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 가열 공정의 개시 전에, 상기 스테인리스 부재에 상기 피복재를 설치하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인리스 부재는, 석출 경화형 스테인리스로 형성되어 있는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  10. 스테인리스 부재를 단조에 의해 소정 형상으로 가공하는 단조 공정을 실행한 후,
    상기 단조 공정을 거친 상기 스테인리스 부재에 대해, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 스테인리스 부재의 열처리 방법을 실행하는, 스테인리스 단조품의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스테인리스 단조품은, 증기 터빈의 날개인, 스테인리스 단조품의 제조 방법.
  12. 스테인리스 부재를 용체화 처리하는 가열 공정과, 상기 가열 공정 후에 상기 스테인리스 부재를 강제적으로 냉각하는 냉각 공정을 실행하는 스테인리스 부재의 열처리 방법에 있어서,
    상기 가열 공정 전에, 상기 스테인리스 부재 중에서 단위 질량당 표면적이 큰 부분인 대표면적부를 피복재로 덮어, 상기 냉각 공정에 있어서 상기 스테인리스 부재의 각 부분에 대한 냉각 능력의 균일화를 도모하는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스테인리스 부재는 증기 터빈의 날개이며,
    상기 날개의 날개 전단부이며 상기 날개의 날개 길이 방향의 중간부, 및 상기 날개의 날개 후단부이며 상기 날개의 날개 길이 방향의 중간부만을 상기 피복재로 덮는, 스테인리스 부재의 열처리 방법.
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