WO2004005565A1 - 高強度低熱膨張鋳物鋼 - Google Patents

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WO2004005565A1
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thermal expansion
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low
steel
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Susumu Katsuragi
Toshiaki Nonomura
Yasuhiro Ojiro
Daisuke Izutsu
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Hitachi Metals, Ltd.
Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a high Ni-containing low thermal expansion steel having good high-temperature strength and oxidation resistance, and to a blade ring and a seal ring retaining ring of a gas turbine made of such high-strength low thermal expansion green steel. It concerns ring-shaped parts. Direct view technology
  • Ring-shaped components for gas turbine blade rings or seal ring retaining rings are known as applications requiring high strength and low thermal expansion characteristics at high temperatures.
  • high strength and low thermal expansion characteristics have been required for ring-shaped parts for blade rings of gas bottles even at high temperatures, and materials used in such applications include SCP H 2 1 (1.2 Cr-0.5 Mo steel), SCPH32 (2.2 Cr-1. OM o ⁇ steel) or SCSI (13 Cr steel) was there.
  • invar alloys usually emphasize the average thermal expansion coefficient in a relatively low temperature range from normal temperature to about 200 ° C. 0
  • Zhang properties are certainly excellent.
  • a heater is heated to a high temperature of about 500 ° C during use, such as a wing-shaped part of a gas bottle or a ring-shaped part for a seal ring holding ring
  • inverter is required.
  • Alloy alloys are not suitable because the clearance between the blade and the blade ring and the clearance between the seal fin and the seal ring retaining ring greatly change due to a rapid increase in the coefficient of thermal expansion.
  • the ring alloy is used for the ring-shaped parts for the blade ring of the gas bottle and the seal ring holding ring ', which are applications that require both low coefficient of thermal expansion and high strength. Can not be used.
  • the coefficient of thermal expansion from 00 ° C to 500 ° C is low and the strength at room temperature is very high.
  • this alloy material can certainly exhibit low thermal expansion characteristics in a temperature range as low as 300 ° C, it can be used as a ring for a gas ring or a ring for holding a seal ring.
  • the Cr resistance is as low as 1.0%, so the oxidation resistance and high-temperature strength at about 500 ° C are not sufficient.
  • Ni is ⁇
  • the alloy described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-65055 contains Ni of 29 to 33% and Co of 4.5 to 6.5%. Since the amount of i is low, the average coefficient of thermal expansion up to a high temperature of about 500 ° C. increases, which is insufficient. Furthermore, in order to improve machinability with emphasis on machining accuracy, a large amount of spherical graphite is precipitated by adding 1.0 to 2.7% of C. On the other hand, not only does the strength decrease, but the addition of a large amount of C increases the coefficient of thermal expansion up to high temperatures (500 ° C). Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide a low average thermal expansion coefficient in a temperature range from 20 ° C. to 500 ° C. required for a ring-shaped part for a blade ring of a gas turbine and a seal ring retaining ring, and an approximately 50 ° C.
  • An object of the present invention is to provide a steel material having high strength at 0 ° C and good oxidation resistance, which is suitable for a ring-shaped part for a blade ring of a gas bottle and a ring for retaining a sealing ring. .
  • the present inventors made various alloy elements.
  • the present invention provides, in terms of mass% based on the mass of the alloy, 0.1 to 0.8% of C; 0.1 to L; 0.0% of Si; 0.0 1 to 0.1% S, more than 40% and less than 50% Ni, less than 4% (including 0%) Co, more than 1.5% and less than 4% Cr, 0.0: High-strength, low-thermal-expansion natural steel containing 0.1 to 0.1% of Al, 0.01 to 0.1% of Mg, and the balance being substantially Fe It is.
  • This high-strength low-thermal-expansion natural steel preferably has an average coefficient of thermal expansion from 20 ° C. to 500 ° C. of 10.5 ⁇ 10 6 Z ° C. or less.
  • the above-mentioned high-strength low-thermal-expansion natural steel preferably has a 0.2% proof stress of not less than 12 OMPa at 500 ° C., and further has a resistance of 100 hours at 500 ° C.
  • the weight gain of oxidation after heating is 10 g / cm 2 or less.
  • the above-mentioned high-strength low-thermal-expansion natural steel can also be used as a ring-shaped part for a blade of a gas bottle and a seal ring holding ring.
  • the most significant feature of the present invention is that it exhibits excellent low thermal expansion characteristics even in a high temperature range up to 500 ° C, and has a low thermal expansion coefficient and excellent strength even at a temperature of about 500 ° C.
  • chemical composition Hereinafter, each element specified in the present invention and its range will be described. In the present invention, unless otherwise specified, the content of each element is expressed as mass% based on the alloy.
  • C has the effect of increasing the strength of the alloy by forming a solid solution in the matrix of the alloy. If it is less than 0.1%, the effect of increasing the strength is insufficient, and if it exceeds 0.8%, not only does the thermal expansion coefficient of the alloyed steel increase, but also the strength increases due to increased precipitation of graphite. descend. For this reason, the content of C is preferably 0.1 to 0.8%.
  • Mn like Si
  • the content of Mn is preferably 0.1 to 1.0%.
  • Ni is the most important element for adjusting the coefficient of thermal expansion in the present invention. As the Ni content increases, the oxidation resistance of the alloy improves. On the other hand, when Ni is 40% or less, the magnetic transformation point is low, and the average thermal expansion coefficient from 20 ° C to 5 ° 0 ° C becomes too high. For this reason, Ni content of 40% or less is required for applications requiring low thermal expansion characteristics up to 500 ° C, such as ring-shaped parts for blade rings and seal ring retaining rings of gas bottles. When steel is used, the clearance between the blade and the blade ring and between the seal fin and the seal ring retaining ring changes significantly, deteriorating the performance.
  • the Ni content exceeds 50% for applications requiring low thermal expansion characteristics up to 500 ° C, such as ring-shaped parts for blades of gas bottles and seal rings for retaining rings.
  • the Ni content is preferably set to more than 40% and 50% or less.
  • Ni is an amount near the upper limit of the content specified in the present invention. If Co is further added, the thermal expansion coefficient may be increased and the clearance may be deteriorated. It may be free (0%).
  • the content of Cr is preferably more than 1.5% and 4% or less.
  • Mg is added for the purpose of inoculating graphite, it also has an effect of suppressing strength reduction together with S and A 1.
  • Mg is used alone or in combination with S to form MgS and becomes a nucleus when spheroidal graphite is precipitated, and is very effective in suppressing the grain boundary preferential precipitation of graphite, which causes a significant decrease in strength. To be there, at least 0.001% is needed. However, if the content exceeds 0.1%, MgO-based inclusions are formed in large amounts, causing structural defects, which may impair the mirror structure. Therefore, the content of Mg is preferably set to 0.001 to 0.1%.
  • A1 is added for the purpose of deoxidation, it has an effect of suppressing the decrease in strength together with S and Mg. If the content of A 1 is less than 0.01%, the deoxidizing effect is insufficient, and Mg, which plays a role of nucleus of spheroidal graphite, binds to 0 and inhibits the inoculation effect of graphite. Not only that, it promotes the precipitation of graphite at the grain boundaries, greatly reducing the room-temperature and high-temperature strength of the alloy. However, when the content of A1 exceeds 0.1%, inclusions are formed in a large amount, and a large number of structural defects are generated, which is not preferable. Therefore, the content of A1 is preferably set to 0.01 to 0.1%.
  • 2 0 ° average thermal expansion coefficient C from definitive in 5 0 0 ° C is 1 0. 5 x 1 0- 6 / ° C or less, 5 0 0 ° C It is preferable to have a performance of a 0.2% proof stress of 120 MPa or more and an oxidation weight increase of 100 g / m 2 or less after heating at 500 ° C. for 100 hours.
  • a performance of a 0.2% proof stress of 120 MPa or more and an oxidation weight increase of 100 g / m 2 or less after heating at 500 ° C. for 100 hours will be described.
  • the high-strength low-thermal-expansion high-strength steel of the present invention can be used in applications such as rim-shaped parts for gas turbine blade rings and seal ring retaining rings used in a high temperature region of about 500 ° C. It is desired to suppress the thermal expansion characteristics sufficiently low.
  • the above-mentioned ring-shaped parts for the wings of gas bottles and the seal ring holding ring are mainly those with an operating temperature of 200 ° C or less, withstand up to 350 ° C, There are three types that can be used up to 500 ° C and three types. In this case, it is required that the clearance between the blade and the blade ring and between the seal fin and the seal ring holding ring be kept almost constant at any operating temperature range. It is desirable that the clearance between the blade and the ring of the gas bin and between the seal fin and the holding of the sealing be small.
  • the average coefficient of thermal expansion from 20 ° C to 500 ° C at high temperature is 10.5 X 10 _ 6 Z ° C or less. because it can satisfy determined, in the present invention, 2 0 ° 1 0 the average thermal expansion coefficients from C to 5 0 0 ° C. 5 X 1 0 _ 6 Z ° C or less is that the configuration preferred.
  • the average thermal expansion coefficient definitive from 2 0 ° C to 5 0 0 ° C is 1 0. 5 X 1 0- 6 / ° C or lower thermal expansion characteristics is long been achieved
  • such an alloy can be sufficiently used for a ring-shaped part for a gas turbine blade ring and a seal ring holder used at 200 ° C. or 350 ° C.
  • the high-strength low-thermal-expansion natural steel of the present invention is used in a high-temperature region of about 500 ° C. It is expected that sufficiently high strength will be exhibited in applications such as ring-shaped parts for blade rings and seal ring retaining rings of gas bottles used for u. For example, the above-mentioned ring-shaped parts for the wing of the gas bottle and the ring for holding the seal ring are likely to undergo plastic deformation or creep deformation when the temperature rises to 500 ° C. Higher strength (proof strength) is required because the clearance changes when held at a high temperature and there is a risk of contact. Therefore, in the present invention, the 0.2% resistance at 500 ° C. is set to 120 MPa or more.
  • the high-strength low-thermal-expansion ferritic steel of the present invention is used in ring-shaped parts for blade rings and seal ring retaining rings of gas bottles used in a high temperature range of about 500 ° C.
  • a particularly desirable property is that the oxidation weight gain is small.
  • the high-strength low-thermal-expansion natural steel of the present invention when used for the ring-shaped parts for the blade ring of the gas bottle and the seal ring holding ring, when heated and held at 500 ° C, the surface becomes Oxidation scale is formed, but the oxide scale at that time is required to be stable, dense and difficult to peel off. ⁇ A large amount of oxide scale is formed during heating at 500 ° C, and it is easy to peel off. If separation occurs, the gaps formed between the blade and the blade ring and between the seal fin and the sealing ring are increased, which is not preferable.
  • the present inventors consider that the oxidation weight increase after performing an oxidation resistance test at 500 ° C. for 100 hours is 10 g / m 2 or less. , The oxidation resistance of the alloy is sufficient and the problem of gaps between the blade and the blade ring and between the seal fin and the sealing ring can be suppressed. It was defined that the increase in oxidation after heating for 100 hours was preferably 100 g / m 2 or less.
  • the high-strength low-thermal-expansion natural steel of the present invention exhibits excellent low-thermal-expansion characteristics even in a high-temperature region up to 500 ° C., and further exhibits excellent properties at a temperature of about 500 ° C. Shows the strength. Therefore, the high-strength low-thermal-expansion natural steel of the present invention is used as a ring for a gas turbine blade and a seal ring retaining ring. ⁇
  • the ring-shaped parts for the blade ring of the gas bottle and the seal ring holding ring have been described as particularly desirable applications of the high-strength low-thermal-expansion natural steel of the present invention. It can also be used for other applications that require a low thermal expansion of up to 500 ° C and a high strength in a high temperature range of about 500 ° C.
  • each of the alloyed copper alloys No. 1 to 8 of the present invention, the comparative alloyed steel alloys No. 11 to 15, and the conventional alloyed steel alloys No. 21 and 22 were each melted by a weight of 10 kg, and then each The molten metal was poured into a 100 mmx100 mmx100 mm x 100 mm sandstone mold, and solidified and cooled in the mold.
  • Table 1 shows the chemical composition.
  • the prepared comparative alloy high-strength steel N 0.11 is an alloy in which Ni is lower than that of the alloy of the present invention and Cr is not added.
  • No. 12 has a lower Ni than that of the alloyed steel according to the present invention.
  • N 0.14 is one in which Cr is not added as compared with the alloyed steel of the present invention.
  • No. 15 has a higher Ni than that of the alloyed steel according to the present invention.
  • A1 and Mg were lower than those of the alloyed steel according to the invention.
  • the conventional alloy steel No. 21 was equivalent to SCSI, and No. 22 was equivalent to SCPH21.
  • Specimen material was collected from the forged alloy steel.
  • the alloyed steels of the present invention and the comparative alloyed steels after holding at 700 ° C for 3 hours, an air-cooled heat treatment was performed, and the SCS1 equivalent alloy of No. 21 of the conventional alloyed steels was used. After holding at 980 ° C. for 1 hour, an oil-cooled quenching treatment and an air-cooled tempering treatment after holding at 700 ° C. for 2 o'clock were performed. Also] ⁇ 0.22 2 3 ⁇ ? 112 1 Equivalent alloy steels were held at 950 ° C for 1 hour, oil-cooled quenching, and held at 700 ° C for 2 hours, air-cooled tempering, and tested. The material was made.
  • the average coefficient of thermal expansion was measured using a test piece having a diameter of 5 mm and a length of 20 mm using a differential thermal expansion measuring apparatus, and the average coefficient of thermal expansion from 20 ° C to each temperature was determined.
  • the 500 ° C. tensile test was performed by preparing a test piece having a parallel portion length of 25.4 mm and a parallel portion diameter of 6.35 mm in accordance with the ASTM standard.
  • oxidation resistance test a test piece of 1 mm in diameter x 15 mm in length was heated at 350 ° C and 500 ° C in air for 100 hours, and the weight of the test piece before and after the test was measured. From the difference between the changes, the weight change (oxidation increase) per unit surface area was determined.
  • Table 2 shows the average coefficient of thermal expansion from 20 ° C to each temperature, the results of the oxidation resistance test at 350 ° C and 500 ° C, and the results of the 500 ° C tensile test.
  • the average thermal expansion coefficient of the comparative alloy is as follows: alloy N0.12, whose content of Ni is smaller than the range of the present invention, or N0.15, which is large, has an average thermal expansion coefficient of 10. It is a high value exceeding 5 ⁇ 10 16 / ° C, and it can be seen that the thermal expansion coefficient increases when the Ni amount is too large or too low.
  • N o 2 1 (SCSI or equivalent) and N o 2 2 (S CP H 2 1 equivalent), it it 1 1.9 1 0 -.. 6 Roh ° € ;, 1 3. 6 X 1 0 - shows a 6 7 ° C and high values.
  • the strength of the alloy steel of the present invention at 500 ° C. (0.2% resistance) controls the addition of C and Cr for improving the strength and the control of A 1 -Mg and S for suppressing the reduction in strength. All of the above additions show values of 120 MPa or more, which is good.
  • Netsu ⁇ Zhang properties 1 0. 5 X 1 0- 6 / ° a C following favorable characteristics N o. 1 1, N 0. 1 3 and N o. 1 No. 4 has a low high temperature proof stress. The reason why the high temperature proof stress of N 0.11 and N 0.14 is low is that Cr is not added.
  • the strength of the alloyed steel No. 13 is remarkably poor.
  • the oxidation resistance of the alloyed steel according to the present invention at 500 ° C. is extremely low at 10 g / m 2 or less because Ni and Cr, which are effective for oxidation resistance, may be sufficiently added. Shows good values.
  • the comparative alloy is 500.
  • the oxidation resistance of C is such that the addition of Ni and Cr is insufficient. o.11 indicates an increase of l O gZm 2 or more.
  • No. 21 (SCSI) a conventional alloyed steel, contains 12.5% of Cr, and although it has satisfactory oxidation resistance, No. 22 (SCPH 2 In 1), the content of elements such as Cr contributing to oxidation resistance is small, so that the amount of oxidation increase is large.
  • the high-strength low-thermal-expansion hard steel which is the alloy hard steel of the present invention has an average coefficient of thermal expansion at 20 ° C. to 500 ° C. lower than that of the martensitic heat-resistant hard steel, and is 50% lower. High temperature strength at 0 ° C and oxidation resistance are also good.
  • the alloy steel of the present invention has a low thermal expansion up to 500 ° C. and has excellent strength even in a high temperature range of about 500 ° C. Ideal for ring-shaped parts for rings and seal rings.
  • the alloy of the present invention appropriate amounts of Ni and C0 are included for realizing low thermal expansion characteristics, and appropriate amounts of C and Cr are included for enhancing high-temperature strength at a temperature of about 500 ° C. Further, by adding an element such as S, Mg, or A1 in an appropriate amount, a decrease in strength can be suppressed. As a result, the alloy of the present invention can achieve both the favorable characteristics of high high-temperature strength at 500 ° C. and low thermal expansion from 20 ° C. to 500 ° C. It is most suitable for use in ring-shaped parts for wing rings and seal ring retaining rings.

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Description

ェ
明細書 高強度低熱膨張錶物鋼
本発明は良好な高温強度、耐酸化性を具備した高 N i含有低熱膨 張錶物鋼と、そのような高強度低熱膨張錶物鋼からなるガスタービ ンの翼環用及びシールリ ング保持環用リ ング形状部品に関するも のである。 直景技術
高温において高い強度と低い熱膨張特性が求められる用途と し て、例えばガスタービンの翼環用又はシールリ ング保持環用のリ ン グ形状部品が知られている。 従来よ り、 ガス夕一ビンの翼環用 リ ン グ形状部品等は高温でも高い強度と低い熱膨張特性が求められ、そ のような用途に使用される材料と しては、 S CP H 2 1 ( 1. 2 C r— 0. 5 M o鎵鋼） や S C P H 3 2 ( 2. 2 C r - 1. O M o錶 鋼） も し く は、 S C S I ( 1 3 C r錶鋼） 等があった。
しかし、 近年、 ガスタービンの効率を向上するためにブレー ドと 翼環の間及びシールフィ ンとシールリ ング保持環の間での熱膨張 を吸収するためのク リ アランスを小さ く することが要求されてい る。 このため、 このガス夕一ビンの翼環用及びシールリ ング保持環 用のリ ング形状部品は、従来材と比べてよ り熱膨張が小さい材料を 必要としている。このような低熱膨張特性を満足させる低熱膨張合 金としては、 ィ ンバ一合金 （ 3 6 %N i— F e)、 スーパーイ ンバ 一合金 （ 3 l %N i— 5 % C o— F e ) 等が知られており、 イ ンバ —特性を利用したィ ンバ一合金鎵物は多数報告されている。
しかしながら、イ ンバー合金は通常常温から 2 0 0 °C程度までの 比較的低温域での平均熱膨張係数を重視したものがほとんどであ 0
ム る。 これらのィンバー合金の錶物では、 2 0 0 °C程度の低温領域に おける低熱膨
張特性は確かに優れている。 しかし、 ガス夕一ビンの翼璟用ある いはシールリ ング保持環用リ ング形状部品のように使用中に 5 0 0 °C程度の高温まで加熱される用途には、このようなィ ンバ一合金 錡物は、熱膨張係数の急激な上昇からブレ一ドと翼環用及ぴシ一ル フィ ンとシールリ ング保持環の間でのク リアランスが大きく変化 して、 不向きである。 さらに、 強度も低いため、 低い熱膨張係数と 高い強度が共に要求されるような用途であるガス夕一ビンの翼環 用及びシールリ ング保持環'用のリ ング形状部品にィ ンバ一合金を 使用することはできない。
ところで、 5 0 0 °Cといった高温域に至るまで熱膨張を小さく保 つためには、 磁気変態点を高温に移す必要がある。 そのための手段 としては一般的には、 N i量を増加させたり、 C oを添加、 増加す ることが知られている。これらの高 N i / C o含有ィンバ一合金鎵 物としては、 特閧昭 5 7 - 4 1 3 5 0号公報、 特閧平 1 — 2 1 0 3 7号公報および特開昭 6 3— 6 0 2 5 5号公報などが提案されて いる。上記の特開昭 5 7— 4 1 3 5 0号公報に記載されている合金 錡物は、 N i と C oの合計含有量を 3 8〜 4 5 %とすることで、 常 温から 3 0 0 °C〜 5 0 0 °Cまでの熱膨張係数が低くなり、また常温 強度が非常に高いと記載されている。 しかし、 この合金錡物は確か に 3 0 0 °C程度の低い温度域では低熱膨張特性を示すことが可能 であるが、ガス夕一ビンの翼環用又はシールリ ング保持環用のリ ン グ形状部品のような高温の用途に対しては、 C rが 1 . 0 %までと 少ないために 5 0 0 °C程度での耐酸化性や高温強度は十分でない。 またこの合金錶物は、鎵造性を良好にするために重要な S iおよび 黒鉛の接種に必要な M gおよび Sの元素については、何ら考慮され ているものではなかった。
特開平 1— 2 1 0 3 7号公報に記載されている合金では、 N iが ΰ
2 8. 0〜 3 2. 0 %と少ないものの、 C oを 8. 0〜： 1 8. 0 % の範囲で多量に添加することで、 3 0 から 5 0 0 °Cまでの平均熱 膨張係数は 7 . 5 X 1 0— 6/°C以下の低い値を示すことが開示さ れている。 しかし、 この合金は 5 0 0 °Cの高温強度や耐酸化性を向 上させるような元素を一切含有するものではなく、 5 0 0 °C程度の 高温で高強度を実現できるものではなかった。
また、 特開昭 6 3— 6 0 2 5 5号公報に記載されている合金は、 N iを 2 9〜 3 3 %、 C oを 4. 5〜 6 . 5 %含んでいるが、 N i 量が低いために、 5 0 0 °C程度の高温までの平均熱膨張係数が高く なり不十分である。更に加工精度を重視して被削性を向上させるた めに Cを 1. 0〜 2 . 7 %添加することで球状黒鉛を多量に析出さ せているが、球状黒鉛を多量に析出させると一方で強度が低下する だけでなく、 Cの多量の添加は高温 （ 5 0 0 °C) までの熱膨張係数 を上昇させる。 発明の開示
本発明の目的は、ガスタービンの翼環用及びシールリ ング保持環 用のリング形状部品に求められる 2 0 °Cから 5 0 0 °Cまでの温度 範囲において低い平均熱膨張係数と、約 5 0 0 °Cにおける高い強度 ならびに良好な耐酸化性とを具備するガス夕一ビンの翼環用及び シ一ルリ ング保持環用のリ ング形状部品に適した錡物鋼を提供す ることである。常温から 5 0 0 °C程度までにおいて十分な強度を得 て、 2 0 °C〜 5 0 0 °Cの温度範囲での熱膨張係数を低く抑えるため に、 本発明者等は種々の合金元素とその成分検討を行なつた結果、 熱膨張係数の増大を防ぐために N i と C 0を適量含有させ、 5 0 0 °C程度でも優れた強度が得られるようにするため C、 C rを適量 含有させ、 更に S、 M g、 A 1等の元素を適量添加することで、 高 温強度の低下を抑制させることができることを見出した。その結果. 5 0 0 °Cにおける高い強度と 2 0 °Cから 5 0 0 °Cまでにおける低 い熱膨張率を両立させることが可能となり、 本発明に到達した。 即ち本発明は、合金の質量に対する質量％にて、 0. 1〜0. 8 % の C；、 0. 1〜 ； L . 0 %の S i、 0. 1〜 1. 0 %の Mn、 0. 0 1〜 0. 1 %の S、 4 0 %を超えて 5 0 %以下の N i、 4 %以下 ( 0 %を含む） の C o、 1. 5 %を超えて 4 %以下の C r、 0. 0 ：!〜 0. 1 %の A l、 0. 0 0 1〜 0. 1 %の M gを含有し、 残部 が実質的に F eである高強度低熱膨張錶物鋼である。この高強度低 熱膨張錡物鋼は、 好ましくは、 2 0 °Cから 5 0 0 °Cにおける平均熱 膨張係数が 1 0. 5 X 1 0 6Z°C以下である。
また、 上記の高強度低熱膨張錶物鋼は、 好ましくは 5 0 0 °Cにお ける 0. 2 %耐力が 1 2 O MP a以上であり、 更に、 5 0 0 °〇で 1 0 0時間加熱後の酸化増量が 1 0 g/ c m2以下である。
また本発明では、上記の高強度低熱膨張錡物鋼をガス夕一ビンの 翼璟用及びシールリ ング保持環用リ ング形状部品として使用する こともできる。
以下に本発明を詳しく説明する。
先ず、 本発明の最大の特徴は、 5 0 0 °Cまでの高温領域でも優れ た低熱膨張特性を発揮し、 更に 5 0 0 °C程度の温度でも、 低い熱膨 張係数と優れた強度とを示す化学的組成物にある。 以下に、 本発明 で規定する各元素と、 その範囲について説明する。 なお、 特に指定 しない限り、本発明では各元素の含有量を合金に対する質量％とし て表す。
0 : 0. 1 〜 0. 8 %
Cは合金の基地に固溶して合金の強度を上昇させる効果がある。 0. 1 %未満では強度を上昇させる効果が不十分で、 0. 8 %を超 えると、 合金鏺物鋼の熱膨張係数が上昇するだけでなく、 黒鉛の析 出が増すことで強度も低下する。 このため、 Cの含有量は、 0. 1 〜 0. 8 %が好ましい。
S i ： 0. 1 〜 1 . 0 % ^
5
S iは脱酸と錶造性改善の目的で添加するために 0. 1 %は必要 である。 しかし、 1. 0 %を超える添加すると熱膨張係数が上昇す る。 そのために S iの含有量は、 0. 1〜 1 . 0 %が好ましい。
M n ： 0. 1 〜 1 . 0 %
Mnも S i同様、 脱酸性と錡造性改善の目的で添加する。 したが つて、 0. 1 %は必要であるが、 1 . 0 %を超えて添加すると、 熱 膨張係数が上昇する。そのために M nの含有量は、 0. 1〜 1 · 0 % が好ま しい。
S ： 0. 0 1 〜 0. 1 %
Sは M gと結びついて M g Sを形成し、接種の役割を担い球状黒 鉛の核を形成し、 強度の低下を抑制する効果がある。 しかし、 Sが 0. 0 1 %未満では、 球状黒鉛の核が出来ないために黒鉛は粒界に 優先的に析出するこ とで強度は大き く低下する。したがって sの下 限と して 0 . 0 1 %は必要である。 しかし、 0. 1 %を超えて多量 に添加する と粒界に Mnや C rの粗大な硫化物を形成することで 強度や延性を低下させる。従って、 Sの含有量は 0. 0 1〜 0. 1 % であるのが好ま しい。
N i ： 4 0 % »feえ 5 0 %以下
N iは本発明における熱膨張係数を調整する最も重要な元素で ある。 N i含有量が増加する と、合金の耐酸化性は向上する。一方、 N iが 4 0 %以下では、 磁気変態点が低温とな り、 2 0 °Cから 5 ◦ 0 °Cまでの平均熱膨張係数が、 高く な り過ぎる。 このため、 ガス夕 一ビンの翼環用及びシールリ ング保持環用のリ ング形状部品等の 5 0 0 °Cまでの低熱膨張特性が求められる用途に N iの含有量が 4 0 %以下の錶物鋼を使用した場合、ブレー ド と翼環の間及びシ一 ルフィ ンとシールリ ング保持環の間でのク リ アランスが大き く変 化して しまい、 性能が悪化する。
これに対し、 N iが 5 0 %を超える と、 磁気変態点が 5 0 0 °Cを 超えるとともに、 2 0 °Cから磁気変態点までの平均熱膨張係数が大 b き く上昇する。 このため、 ガス夕一ビンの翼璟用及びシールリ ング 保持環用リ ング形状部品等 5 0 0 °Cまでの低熱膨張特性が求めら れる用途に N iの含有量が 5 0 %を超える錶物鋼を使用した場合、 やはり プレー ドとガスタービンの翼環の間及びならびに、シールフ イ ンとシールリ ング保持環の間でのリ ング形状部品のク リアラン スが大き く 変化して しまい、 性能が悪化する。 従って、 N iの含有 量は 4 0 %を超えて 5 0 %以下とするのが好ましい。
o ： 4 % n T ( 0 含れ）
C o も熱膨張係数の低減に寄与する元素であ り、熱膨張係数を下 げる効果は、 N i よ り も大きい。 しかし、 4 %を超えて過剰に添加 しても熱膨張係数の抑制効果はさほど期待できず、 また、 C 0は高 価な元素であるために多量に添加する と、 製造コス トが上昇する。 従って、 C oの含有量はを 4 %以下が好ましい。
なお、 N i を本発明で規定する含有量の上限付近の量とした場合. C oを更に添加する と熱膨張係数が高く なつて、ク リアランスが悪 く なる場合があるため、 C oを無添加 （ 0 % ) としても良い。
C r ： 1 . 5 % » fg ^ て 4 %以下
C rは本発明の錡物鋼で、高温強度と耐酸化性を向上させるのに 最も有効な元素である。特に高温強度については、 C r量が 1 . 5 % 以下では、 5 0 0 °C程度の高温領域で高い強度が求められるような ガス夕一ビンの翼環用及びシールリ ング保持璟用リ ング形状部品 等の用途と して錡物鋼を用いる と、 高温強度が不足し、 長時間保持 した時の変形が大き くな り ブレー ド と翼環の間及びシールフィ ン とシールリ ング保持環の間でのク リ アランスが大き く変化するこ とで、 性能が悪化する。 従って、 C rは 1 . 5 %を超えて添加する 必要がある。 一方、 C rを 4 %を超えて添加する と、 2 0 °Cから 5 0 0 °Cまでの平均熱膨張係数が大き く上昇する。 このため、 ガス夕 —ビンの翼環用及びにシールリ ング保持環用のリ ング形状部品等 の 5 0 0 °Cまでの低熱膨張特性が求められる用途にこのような錶 ?
物鋼を使用した場合、ブレードと翼環の間及びシールフィ ンとシ一 ルリ ング保持環の間でのク リアランスが大き く変化してしまい、性 能が悪化する。 従って、 C rの含有量を、 1 . 5 %を超えて、 4 % 以下とすることが好ましい。
M g ： 0. 0 0 1 〜 0 . 1 %
M gは黒鉛の接種効果を目的として添加する一方で、 Sや A 1 と 共に強度の低下を抑制させる効果がある。 M gは単独も しくは、 S と結びついて M g S となって球状黒鉛が析出する際の核となり、強 度の大幅低下の元となる黒鉛の粒界優先析出の抑制に非常に有効 であるために、少なく とも 0 . 0 0 1 %は必要である。しかし、 0 . 1 %を超えると、 M g O系の介在物を多量に形成し、 錶造欠陥を発 生させ、 鏡物の錶造性を損なう懸念がある。 従って、 M gの含有量 は、 0 . 0 0 1 〜 0 . 1 %とすることが好ましい。
A 1 : 0. 0 1 〜 0 . 1 %
A 1は脱酸の目的で添加する一方で、 Sや M gと共に強度の低下 を抑制する効果がある。 A 1の含有量が 0 . 0 1 %よ り少ないと脱 酸の効果が不十分なために、球状黒鉛の核となる役割を担う M gが 0と結びついて、 黒鉛の接種効果を阻害するばかりでなく、 黒鉛の 粒界析出を促進させることで、 合金の常温、 高温強度を大き く低下 させる。 しかし、 A 1の含有量が 0 . 1 %を超えると、 介在物が多 量に形成されて、 錶造欠陥を多量に発生させるので好ましくない。 従って、 A 1の含有量は、 0 . 0 1〜 0 . 1 %とするのが好ましい。
以上が、本発明で規定した元素組成と各元素の含有量の範囲であ るが、以下に示す元素を低熱膨張と高強度の特性を損なわない範囲 で添加することができる。
P ： ≤ 0 . 0 1 %
C a ： ≤ 0 . 0 2 %
M o ： ≤ 1 . 0 %
W ： ≤ 1 . 0 % C u ： ≤ 1 . 0 %
更に、 本発明の高強度低熱膨張錡物鋼は、 2 0 °Cから 5 0 0 °Cに おける平均熱膨張係数が 1 0 . 5 x 1 0— 6 / °C以下、 5 0 0 °Cに おける 0 . 2 %耐力が 1 2 0 M P a以上、 5 0 0 °Cで 1 0 0時間加 熱後の酸化増量が 1 0 g / m 2以下という性能を持つことが好ま しい。 以下にこのような特性のそれそれについて説明する。
先ず、 本発明の高強度低熱膨張錶物鋼は、 5 0 0 °C程度の高温領 域で使用されるガスタービンの翼環用及びシールリ ング保持環用 リ シグ形状部品等の用途においても、熱膨張特性を十分に低く抑制 することが望まれている。
例えば、上述のガス夕一ビンの翼璟用及びシールリ ング保持環用 リ ング形状部品は、 主として使用温度が 2 0 0 °C以下のもの、 最大 3 5 0 °Cまでの使用に耐えるもの、最大 5 0 0 °Cでの使用に耐える ものと三種類の範囲がある。 この場合、 どの使用温度範囲において も、プレー ド と翼環の間及ぴシールフイ ンとシールリ ング保持環の 間でのク リ アランスがほぼ一定に保たれることが要求されるとと もに、ブレ一 ドとガス夕一ビンの翼環の間及びシ一ルフィ ンとシ一 ルリ ング保持間の間のク リ アランスは小さいこ とが望ま しい。その ため、 その要求を達成するには、 2 0 °Cから高温 5 0 0 °Cまでの平 均熱膨張係数が 1 0 . 5 X 1 0 _ 6 Z°C以下であれば十分にその要 求を満足できることから、 本発明では、 2 0 °Cから 5 0 0 °Cまでの 平均熱膨張係数を 1 0 . 5 X 1 0 _ 6 Z°C以下が好ましいものと設 定している。
なお、 本発明で好ましいものとしている、 2 0 °Cから 5 0 0 °Cに おける平均熱膨張係数が 1 0 . 5 X 1 0— 6 / °C以下の低熱膨張特 性が達成できていれば、 そのような合金は、 2 0 0 °C又は 3 5 0 °C で用いられるガスタービンの翼環用及びシールリ ング保持璟用の リ ング形状部品にも十分に使用できる。
本発明の高強度低熱膨張錡物鋼は、 5 0 0 °C程度の高温領域で使 u 用されるガス夕一ビンの翼環用及びシールリ ング保持環用リ ング 形状部品等の用途においても、十分に高い強度を発揮することが望 まれている。 例えば、 上述のガス夕一ビンの翼璟用及びシールリ ング保持璟用リ ング形状部品は、 5 0 0 °Cまで温度が上昇した時に 塑性変形若しくはク リープ変形が起こ りやすいために、長時間高温 に保持した時にク リ ァランスが変化し、接触する危険性があるので、 高い強度 （耐力） が求められる。 従って、 本発明では 5 0 0 °Cにお ける 0 . 2 %耐カを 1 2 0 M P a以上に設定している。
本発明の高強度低熱膨張錶物鋼は、 5 0 0 °C程度の高温領域での 使用に供されるガス夕一ビンの翼環用及びシールリ ング保持環用 リ ング形状部品のような用途において、上述した低熱膨張の特性と 高強度の要求の他、特に望まれる特性として酸化増量が小さいこと がある。例えばガス夕一ビンの翼環用及びシ一ルリ ング保持環用の リ ング形状部品に本発明の高強度低熱膨張錡物鋼を用いたとき、 5 0 0 °Cで加熱保持すると、 表面に酸化スケールが形成されるが、 そ の際の酸化スケールは安定、緻密で剥離しにく いことが要求される < この 5 0 0 °C加熱時に酸化スケールが多量に形成されて、容易に剥 離が起こると、ブレードと翼環の間及びシ一ルフィ ンとシ一ルリ ン グ保持環の間に生じる隙間が大きくなり、 好ましくない。 この酸化 スケールの密着性を判断する基準と して、 本発明者等は、 5 0 0 °C で 1 0 0時間耐酸化試験を行なつた後の酸化増量が、 1 0 g / m 2 以下であれば、 合金の耐酸化性は十分であり、 ブレードと翼環の間 及びシールフィ ンとシ一ルリ ング保持環の間に生じる隙間の問題 も抑制可能なことから、 5 0 0 °Cで 1 0 0時間加熱後の酸化増量を 1 0 g / m 2以下であることが'好ましいと規定した。
以上、説明した通り、本発明の高強度低熱膨張錡物鋼は、 5 0 0 °C までの高温領域でも優れた低熱膨張特性を発揮し、更に 5 0 0 °C程 度の温度で、 優れた強度示す。 そのため、 本発明の高強度低熱膨張 鎵物鋼をガスタービンの翼璟用及びシールリング保持環用のリ ン ^
グ形状部品に用いることは、プレードと翼環の間及びシールフィ ン とシールリ ング保持環間の隙間距離の変化を抑制することができ るので、 特に望ましい。
なお、本発明の高強度低熱膨張鎵物鋼の特に望ましい用途として ガス夕一ビンの翼環用及びシールリ ング保持環用のリ ング形状部 品について説明してきたが、 例えば、 シールリングやボル ト等、 5 0 0 °Cまでの低い熱膨張と、 5 0 0 °C程度での高温領域での高い強 度が求められるその他の用途にも使用できる。 実験例
本発明合金銪物銅 N o . 1〜 8、 比較合金錶物鋼 N o . 1 1 - 1 5、 従来合金鎵物鋼 N o . 2 1、 2 2各々を重量 1 0 k g溶解し、 約 1 O O mmx l 0 0 m m x 1 0 0 m m形状の砂鎵型に溶湯を注 湯し、 錶型内で凝固 · 冷却した。 表 1に化学組成を示す。
作製した比較合金鎵物鋼 N 0. 1 1は N iが本発明合金と比較し て低めでかつ C r無添加の合金である。 N o . 1 2は本発明合金錡 物鋼と比較して N iが低めのものである。 N 0. 1 4は本発明合金 錶物鋼と比較して C rが無添加のものである。 N o . 1 5は本発明 合金鎢物鋼と比較して N iが高めのものである。 N o . 1 3は本発 明合金鎵物鋼と比較して A 1、 M gが低めのものとした。 また、 従 来合金錶物鋼 N o . 2 1は S C S I相当のもの、 N o . 2 2は S C P H 2 1相当のものとした。
Figure imgf000013_0001
鎵造した合金錶物鋼から試験片素材を採取した。本発明合金錶物 鋼ならびに比較合金鎵物鋼については、 7 0 0 °Cで 3時間保持後、 空冷の熱処理を実施し、 従来合金錶物鋼の N o . 2 1の S C S 1相 当合金については、 9 8 0 °Cで 1時間保持後、 油冷の焼き入れ処理 および 7 0 0 °Cで 2時面保持後、 空冷の焼き戻し処理を行った。 ま た ]^ 0. 2 2の 3 〇？ 112 1相当合金錶物鋼については、 9 5 0 °C で 1時間保持後、 油冷の焼入れ処理および、 7 0 0 °Cで 2時間保持 後、 空冷の焼き戻し処理を行なって、 試験片素材を作製した。
平均熱膨張係数の測定は、直径 5 mm x長さ 2 0 mmの試験片を 用いて示差熱膨張測定装置を用いて行ない、 2 0 °Cから各温度まで の平均熱膨張係数を求めた。 5 0 0 °C引張試験は A S T M規格に準 じて平行部長さ 2 5 . 4 mm、 平行部径 6 . 3 5 mmの試験片を作 製して行なった。 耐酸化試験は、 直径 1 O mm x長さ 1 5 mmの試 験片を大気中で 3 5 0 °C、 5 0 0 °Cにおいて 1 0 0時間加熱し、 試 験前後の試験片の重量変化の差から、単位表面積あたりの重量変化 (酸化増量） を求めた。
表 2に 2 0 °Cから各温度までの平均熱膨張係数、 3 5 0 °C、 5 0 0 °Cにおける耐酸化試験結果および 5 0 0 °C引張試験結果を示す。
表 2 平均熱膨張係数
酸化増量（g/m2) 500°C引張特性
( x i ο— 6 / °c )
実験合金 350°C 500°C
20~ 20〜 20~ コ I 3K 3ffi CT 油び
X X
200°C 350°C 500°C (MPa) (MPa)
100hr 100hr (°/o) 本 Να
8.59 8.42 9.75 0.71 4.85 221 305 7.5 1
発 Να
8.81 8.69 9.96 0.56 3.97 210 302 10.1 2
明 Να
8.71 8.55 10.19 0.56 5.05 228 338 15.5 3
合 Να
9.24 9.01 10.42 0.71 3.82 208 308 11.2
4
Να
7.87 7.35 8.63 0.79 6.25 198 295 10.5 5
Να
8.61 8.45 9.81 0.63 4.76 171 286 21.4 6
Να
8.52 8.36 9.65 0.71 4.65 218 305 13.5 7
Να
8.43 8.34 9.72 0.71 4.52 227 318 8.5 8
比 Να
2.42 6.91 9.92 0.91 10.32 105 238 34.2 11
較 Να
5.02 9.11 11.36 0.74 7.71 210 328 14.3 12
合 Να
2.38 6.85 9.84 0.91 8.54 15 20 0.5 13
金 Να
2.35 6.81 9.92 0.75 8.63 95 210 36.2 14
Να
10.85 10.97 11.25 0.58 3.65 225 295 9.3 15
従 Να
11.13 11.52 11.91 0 0 352 420 30.5 来 21
合 Να
12.48 12.88 13.42 0.83 10.95 235 385 37.8 22 表 2から、本発明合金鎳物鋼の 2 0 °C〜 5 0 0 °Cの平均熱膨張係 数は、 1 0. 5 X 1 0— 6/°C以下の値を示しており良好である。 しかし、 本発明合金錶物鋼の中でも、 Mnを低下させた N o . 1に おいて熱膨張係数の若干の低下が、 C rを低下させた N o . 5にお いて熱膨張係数の顕著な低下が見られ、 C r、 Mnの低下は熱膨張 係数の低下に有効なことが分かる。 一方、 比較合金の平均熱膨張係 数は、 N i含有量が本発明の範囲よ り少ない合金 N 0. 1 2、 又は 多い N o . 1 5は、 それそれ平均熱膨張係数は 1 0. 5 x 1 0一 6 /°Cを越えて高い値になっており、 N i量が多すぎても低すぎても、 熱膨張係数が上昇することが分かる。
また、 従来合金である N o . 2 1 ( S C S I相当） および N o . 2 2 ( S CP H 2 1相当） は、 それそれ 1 1. 9 1 0 -6ノ°€；、 1 3. 6 X 1 0 - 67°Cと高い値を示している。
本発明合金錶物鋼の 5 0 0 °Cにおける強度 （ 0. 2 %耐カ） は、 強度を向上させる C、 C rの添加および強度の低下を抑制する A 1- Mgおよび Sを制御して添加することで、すべて 1 2 0 MP a以上 の値を示しており良好である。 一方、 比較合金錶物鋼のうち、 熱膨 張特性が 1 0. 5 X 1 0— 6/°C以下の良好な特性を示す N o . 1 1、 N 0. 1 3および N o . 1 4は、 いずれも高温耐力が低くなつ ている。 N 0. 1 1および N 0. 1 4の高温耐力が低い原因は、 C rが添加されていないためである。 また、 合金錶物鋼 N o . 1 3は 強度が著しく悪く、 これは、 C rが無添加であることに加えて、 接 種の目的で添加する M gと接種効果を助長する A 1がほとんど含 有されていないためである。本発明合金錶物鋼の 5 0 0 °Cの耐酸化 性は、 耐酸化性に効果がある N i、 C rが十分に添加されているこ ともあり、 1 0 g/m2以下の非常に良好な値を示している。一方、 比較合金錶物鋼の 5 0 0。Cの耐酸化性は、 N iおよび C rの添加量 が不十分な N o . 1 1、 1 3、 1 4の 3合金の酸化増量が多く、 N o . 1 1は l O gZm2以上の増量を示している。 また、 従来合金 錶物鋼の N o . 2 1 ( S C S I ) は、 C rが 1 2. 5 %含有されて いることもあり、 耐酸化性は申し分ないが、 N o . 2 2 ( S C P H 2 1 ) は、 C rを始めとする耐酸化性に寄与する元素の含有量が少 ないので、 酸化増量が多い。
以上のことから、本発明合金錶物鋼である高強度低熱膨張錶物鋼 は、 2 0 °C〜 5 0 0 °Cの平均熱膨張係数がマルテンサイ ト系耐熱錶 物鋼より低く、 5 0 0 °Cの高温強度および耐酸化性も良好である。
以上、 説明しだように、 本発明合金錡物鋼は 5 0 0 °Cまでの熱膨 張が低く、 5 00 °C程度の高温領域でも優れた強度を有することか ら、ガスタービンの翼環用及びシールリ ング保持璟用リ ング形状部 品に最適である。
本発明合金錶物によれば、低熱膨張特性の実現のために N iと C 0を適量含有させ、 5 0 0 °C程度の温度における高温強度を高める ため、 Cと C rを適量含有させ、 更に S、 Mg、 A 1等の元素を適 量添加することで、 強度の低下を抑制させることができる。 その結 果、 本発明の合金は、 5 0 0 °Cにおける高温強度が高く、 2 0 °Cか ら 5 0 0 °Cまでの熱膨張が低いという好ましい特性を両立させる ことができ、ガスタービンの翼環用及びシールリ ング保持環用のリ ング形状部品に用いるのに最適である。

Claims

請求の範囲
1. 質量％にて、 0. 1〜 0. 8 %の C；、 0. 1〜： L . 0 % の S i、 0. 1〜： L . 0 %の Mn、 0. 0 1〜 0. 1 %の S、 4 0 % を超えて 5 0 %以下の N i、 4 %以下 （ 0 %を含む） の C o、 1. 5 %を超えて 4 %以下の C r、 0. 0 1〜 0. 1 %の A l、 0. 0
0 1〜 0. 1 %の M gを含有し、 残部が実質的に F eである高強度 低熱膨張錶物鋼。
2. 2 0 °Cから 5 0 0 °Cにおける平均熱膨張係数が 1 0. 5 X I
Figure imgf000018_0001
以下であることを特徴とする請求項 1に記載の高強 度低熱膨張錡物鋼。
3. 5 0 0 °Cにおける 0. 2 %耐力が 1 2 0 MP a以上を有 する請求項 1に記載の高強度低熱膨張鎵物鋼。
4. 5 0 0 °Cで 1 0 0時間加熱後の酸化増量が 1 0 g/m2 以下であることを特徴とする請求項 1に記載の高強度低熱膨張錶 物鋼。
5. 請求項 1に記載の高強度低熱膨脹鎵物鋼からなることを 特徴とするガス夕一ビンの翼環用リ ング形状部品。
6. 請求項 1に記載の高強度低熱膨張錶物鋼からなることを 特徴とするガス夕一ビンのシールリ ング保持璟用リ ング形状部品。
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