WO2006134831A1 - 蒸気タービン用ロータとその製造方法 - Google Patents

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WO2006134831A1
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Hideyuki Arikawa
Akira Mebata
Masahiko Arai
Yoshitaka Kojima
Hajime Toriya
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    • Y10T428/12979—Containing more than 10% nonferrous elements [e.g., high alloy, stainless]

Definitions

  • the present invention relates to a steam turbine rotor made of 9 to 13% Cr heat-resisting steel and a method for producing the same.
  • the surface of the journal which is called “wire wool damage”
  • wire wool damage is cut into fine lines and streaks as if the force applied to the machine is mechanically applied.
  • a damage form with a whisker-like line.
  • the damage to the journal portion is caused by foreign matter intrusion between the journal portion and the bearing metal.
  • the 9 ⁇ : 13% Cr heat-resistant steel has a low thermal conductivity, so local seizure is likely to occur when foreign substances are mixed.
  • the Cr content is high, it is thought that Cr carbide is easily generated when the temperature rises due to baking, and this also becomes a foreign substance and promotes damage to the journal part.
  • the overlay welding layer is composed of two layers of the overlay and the overlay, and the welding material for the overlay is made of a material having a smaller strength and a larger linear expansion coefficient than the welding material for the overlay.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-137456
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 06-272503
  • Non-Patent Document 1 Kanazawa et al. “Damage to the rotor journal” Thermal Power Generation, No. 23 No. 5, Issued by Shogoro, May, 47, p. 536-542
  • the present invention has been made from such a background, and there is no need for heat treatment after weld cracking, and the sliding property of the journal portion is improved.
  • 9- Steam made of 13% Cr heat resistant steel A turbine porter and a method for manufacturing the same are provided.
  • the present invention is a steam turbine rotor comprising 9 to 13% Cr heat resistant steel, It is characterized in that a coating layer made of a low alloy steel with a Cr content of 3% or less is provided on the sliding surface of the journal part.
  • the slidability on the sliding surface of the journal portion of the steam turbine rotor made of 9 to 13% Cr heat resistant steel can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of a turbine rotor according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a construction example of a turbine rotor according to the present invention.
  • FIG. 3 is a micrograph showing an example of a cross-sectional structure of a low alloy steel film according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a bearing testing machine in the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example (first process) of a low alloy steel coating construction process according to the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example (second process) of the construction process of the low alloy steel coating according to the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic view showing an example (third process) of the construction process of the low alloy steel coating according to the present invention.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing changes in bearing metal temperature in a bearing test.
  • FIG. 9 is a schematic view showing a high-pressure steam turbine in which a low alloy steel coating according to the present invention is applied to a turbine rotor shaft.
  • FIG. / 0 On the sliding surface 3 of the journal part 2 of the steam turbine rotor 1 made of Cr heat-resisting steel, 9-: 13% Cr heat-resisting steel with superior sliding characteristics High-velocity flame spraying (HVoF: High Velocity Oxy-Fuel) is applied to the coating layer made of low-alloy steel, and the defect area ratio of pores and oxides in an arbitrary cross-sectional structure is 3 to 15%
  • HVoF High Velocity Oxy-Fuel
  • a steam turbine rotor 1 having a 13% Cr heat-resistant steel has a low-alloy steel coated on the sliding surface 3 by welding for the purpose of improving the sliding characteristics of the journal part 2.
  • a low alloy steel coating layer is provided by high-speed flame spraying.
  • a low alloy steel coating layer can be formed with a very low heat input as compared with a conventional overlay welding coating.
  • the thickness of the low alloy steel coating layer can be reduced.
  • the coating layer is formed by using a low heat input coating forming method called high-speed flame spraying for the purpose of improving the sliding characteristics of the journal portion of the steam turbine rotor made of 13% Cr heat resistant steel.
  • high-speed flame spraying for the purpose of improving the sliding characteristics of the journal portion of the steam turbine rotor made of 13% Cr heat resistant steel.
  • a steam turbine rotor 1 having a 13% Cr heat resistant steel strength is provided with a low alloy steel coating layer by a high-speed flame spraying method for the purpose of improving the sliding characteristics of the journal part 2. It is.
  • the low alloy steel used in the present invention preferably has a Cr content of 3% or less. The reason is that if the Cr content exceeds 3%, the slidability and the thermal conductivity are reduced.
  • V—Balance is a low alloy steel with a composition such as Fe. It is preferable that the balance between the coating strength and the slidability is good, but those skilled in the art can select as appropriate without being limited to these components.
  • the thickness of the low alloy steel coating layer according to the present invention is preferably 0.5 to 5 mm.
  • the reason for this is that in the case of a thin low alloy steel coating layer with a thickness of less than 0.5 mm, when the low alloy steel coating layer is worn due to contamination of foreign matter, the base material is 9 to 13% Cr in a short time. This is because there is a high possibility that the heat-resistant steel will be exposed, and this will be a problem in terms of long-term durability.
  • the thickness exceeds 5 mm, the compressive residual stress on the surface of the coating layer, which is a feature of the high-speed flame spraying method, gradually decreases, and the coating layer is liable to be cracked or peeled off.
  • the thickness of the coating layer becomes the effective thickness as it is. Equivalent effects can be obtained with 1/2 or less of welding. Unnecessarily thickening the coating layer takes a long time and is uneconomical.
  • the area ratio of defects combining pores and oxides in an arbitrary cross-sectional structure is 3 to 15%.
  • FIG. 3 shows an example of a cross-sectional structure photograph of the low alloy steel coating layer according to the present invention.
  • a low alloy steel coating layer 5 according to the present invention is formed on a 13% Cr heat resistant steel base material 4 with a thickness of about 1.5 mm.
  • a black mesh pattern is observed in the low alloy steel coating layer 5 in the cross-sectional structure photograph.
  • the low alloy steel coating layer 5 is formed by the high-speed flame spraying method, the low-alloy steel spray powder is heated in the high-speed flame (flame) during flight, and the oxide ( This is a defect in the thermal spray coating consisting of pores or oxides, which is the result of being incorporated into the low-alloy steel coating layer 5 (including mainly oxides of oxides other than Fe oxide and alloy constituent elements other than Fe). .
  • the area ratio of this defect (mesh-like black region) in the cross-section of the coating layer was determined to be about 10%.
  • the strength of the coating layer varies depending on the defect state distribution. In other words, even when the defect rate is the same, when the coarse defect is unevenly distributed and when the fine defect is uniformly distributed, the latter has higher strength. For this reason, the adhesion strength of the coating layer is preferably 40 MPa or more. When the adhesion strength of the coating layer is less than 40 MPa, peeling of the coating layer or interlaminar fracture within the coating layer is likely to occur.
  • the low alloy steel coating layer suitably used has a Cr content of 3% or less.
  • Low-alloy steel coating layer the thickness of the coating layer is in the range of 0.5 to 5 mm, the area ratio of defects in combination with pores and oxides in any cross-sectional structure is 3 to: 15%, and
  • the adhesion strength of the coating layer is most preferably 40 MPa or more.
  • a high-speed flame spraying method can be most suitably used. This is because other spraying methods, such as plasma spraying, flame spraying, arc spraying, etc., melt the material (powder, wire) at a high temperature and spray it to form a coating mainly by rapidly solidifying it on the substrate.
  • the high-speed flame spraying method is characterized in that a powder is sprayed at a high speed and a film is formed mainly using plastic deformation at the time of collision of the substrate due to its kinetic energy.
  • the high-speed flame spraying method can keep the oxidation of the powder low.
  • FIG. 4 schematically shows the configuration of the bearing tester used for evaluating the bearing characteristics of the low alloy steel coating according to the present invention.
  • a test journal portion 25 is provided at one end of a shaft 23 rotatably supported by two rolling bearings 22, and the test bearing portion is configured in combination with the slide bearing 24.
  • the sliding bearing 24 is supplied with oil from a lubricating oil supply mechanism (not shown).
  • the plain bearing 24 is mounted on a base 26 that can be raised and lowered by hydraulic pressure.
  • the other end of the shaft 23 is connected to a rotating shaft 21 of an electric rotating machine (not shown), and the shaft 23 is rotated by the rotation of the electric rotating machine.
  • the bearing test is performed by applying an appropriate surface pressure to the sliding surface between the test journal 25 and the slide bearing 24 by raising the pedestal 26 while rotating the shaft 23 with an electric rotating machine.
  • the inclination angle (gradient of the inclined surface) 33 is preferably 15 to 45 °.
  • Reference numeral 31 denotes a shaft diameter.
  • the surface of the construction range including the grooved surface was degreased and cleaned, and then roughened by blasting using an alumina grid.
  • a low alloy steel powder (1.3% Cr-0.5% Mo-Fe, f particle size: 25-63 zm) was used as the thermal spray powder, TAFA 3 ⁇ 4 [P5000 type H VOF equipment
  • a low alloy steel coating layer 5 having a thickness of about 1 mm from the groove depth 32 was formed.
  • reference numeral 31 denotes a shaft diameter
  • reference numeral 33 denotes an inclination angle.
  • the spraying conditions were as follows: fuel (kerosene) flow rate 23L / hr, oxygen flow rate 873LZhr, combustion pressure 0.7MPa, powder feed rate 60g / min, barrel length 100mm (4 inches), spraying distance 380mm.
  • fuel (kerosene) flow rate 23L / hr fuel (kerosene) flow rate 23L / hr
  • oxygen flow rate 873LZhr oxygen flow rate 873LZhr
  • combustion pressure 0.7MPa combustion pressure
  • powder feed rate 60g / min a powder feed rate
  • barrel length 100mm (4 inches) barrel length 100mm (4 inches
  • spraying distance 380mm As shown in FIG. 2, while rotating the rotor 1, the spray gun 10 is moved almost parallel to the sliding surface 3, and the relative speed between the spray gun 10 and the work surface is 200 to 750 mm. In seconds Sprayed.
  • the tensile adhesion strength was measured according to JIS H8402: 2004 "Tensile adhesion strength test method for thermal spray coating". Since the adhesive strength at the time of agent rupture was about 70 MPa, the adhesive strength of the coating layer was 70 MPa or more.
  • reference numeral 5 is a processed low alloy steel coating layer
  • reference numeral 32 is a depth of groove processing
  • reference numeral 33 is an inclination angle.
  • the test conditions were peripheral speed 50 m / sec, during steady rotation of the bearing load 30kg / cm 2, the lubricating oil that the oil supply to the bearing 125 to 300 at a rate of about lg / min of iron powder xm
  • the bearings were forcibly mixed with foreign matter, and the shaft and bearing metal were examined for damage.
  • the bearing metal temperature during the test was also measured. If the oil film is cut between the shaft and the bearing metal due to the introduction of foreign matter and the lubrication is impaired, the temperature rises due to frictional heat between the metals. Therefore, the lower the bearing metal temperature rises, the better the slidability.
  • FIG. 8 shows changes in the bearing metal temperature during the test.
  • a test using a 12% Cr heat-resistant steel shaft provided with a low alloy steel coating layer of the present invention a sudden temperature increase was observed after the introduction of foreign matter, but it dropped in a short time, and the temperature in the stable state was It was about 80 ° C.
  • the temperature suddenly increased for a while similar to the 12% Cr heat resistant steel shaft provided with the low alloy steel coating layer of the present invention. Although it showed a behavior of decreasing in a short time, in the latter half of the test, it was continuously similar to a 12% Cr heat-resistant steel shaft without a low alloy steel coating layer. The temperature rose to about 200 ° C in the end.
  • a low alloy steel coating layer is not provided 12.
  • a number of fine scratches were generated on the sliding surface of the shaft. Generation of wire wool-like foreign matter was also observed. The bearing metal was also severely damaged.
  • the construction method first performed groove processing with a depth of 3 mm on the construction part.
  • Both ends of the groove processing were inclined surfaces with an inclination angle 33 of 30 °.
  • the surface of the coated area including the grooved surface was degreased and cleaned, and then roughened by blasting using an alumina grid.
  • low-alloy steel powder (1.3% Cr-0.5% Mo—remaining Fe, powder particle size: 25-63 xm) is used as the thermal spray powder, and groove processing is performed on TAFA MJP5000 HVOF equipment.
  • the spraying conditions were as follows: fuel (kerosene) flow rate 23L / hr, oxygen flow rate 873L / hr, combustion pressure 0.7MPa, powder feed rate 60g / min, barrel length 100mm (4 inches), spraying distance 380mm.
  • the spray gun was moved almost parallel to the construction surface while rotating the turbine rotor shaft 48, and sprayed at a relative speed of 200 to 750 mm / sec between the spray gun and the construction surface. After spraying, the coating layer construction part was finished by machining and polishing so as to have a predetermined shaft diameter.

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Abstract

　溶接割れがなく、後熱処理も不要で、ジャーナル部の摺動特性を改善した９～１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータとその製造方法を提供する。 　９～１３％Ｃｒ系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部の摺動面に、９～１３％Ｃｒ系耐熱鋼よりも摺動特性に優れたＣｒ含有量が３％以下の低合金鋼からなり、任意断面組織における気孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が３～１５％である低合金鋼被覆層を高速フレーム溶射法にて形成する。

Description

明 細 書
蒸気タービン用ロータとその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータとその製造方法に 関する。
背景技術
[0002] 9〜： 13%Cr系耐熱鋼（例えば、重量比で、 l l %Cr— 1%Μο— 0. 6%Ni—0. 7% Mn-0. 2%V-0. 3%Si-0. 2%C— 0· l%Nb— 0. 06%N—残部 Fe、 l l %Cr - 2. 6%W-0. 2%Mo- 2. 5%Co-0. 5%Ni— 0. 5%Mn— 0. 2%V— 0. 05 %Si-0. l%C-0. l %Nb-0. 03%Ν— 0· 02%B—残部 Fe等の組成を有する 耐熱鋼）は、高温強度と低温靱性とに優れるため、蒸気タービンの高中圧用ロータ材 料として注目されており、使用が拡大されつつある。しかし、蒸気タービンでは、高速 で回転するタービン用ロータをすベり軸受で支持しており、ロータ材料の摺動特性が 軸受部の耐久性に大きく影響する。
[0003] 9〜： 13%Cr系耐熱鋼は、ロータ材料として優れた機械的性質を有している力 摺 動特性は劣る。このため、ジャーナル部において軸受メタルとの間に損傷事故が発 生しやすいことが知られている（非特許文献 1参照）。
[0004] 特に、「ワイヤーウール損傷」等と称される、ジャーナル部の表面があた力も機械加 ェされたように細レ、筋状に削られ、発生した異物の中に細レ、つる卷き状の線が認め られる損傷形態が生じやすレ、。
[0005] このジャーナル部の損傷は、ジャーナル部と軸受メタルとの間への異物浸入が原因 と考えられている。特に、 9〜： 13%Cr系耐熱鋼は、熱伝導度が小さいため、異物が 混入した際に局所的な焼き付きが生じやすい。また、 Cr含有量が多いため、焼き付 きで温度が上昇した際に、 Cr炭化物が生成し易ぐこれがまた異物となってジャーナ ル部の損傷を助長するとも考えられてレ、る。
[0006] この 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部の損傷を 防止するため、ジャーナル部に Cr含有量の少ない低合金鋼を肉盛溶接して被覆す る方法が提案されてレ、る（特許文献 1参照)。
[0007] さらに、肉盛溶接層を下盛と上盛との二層とし、下盛用溶接材料には、上盛用溶接 材料に比べて強度が小さぐ線膨張係数が大きい材料を用いることで、肉盛被覆層 に生じる引張残留応力を小さくする方法が提案されている (特許文献 2参照)。
[0008] 特許文献 1 :特開昭 57— 137456号公報
特許文献 2 :特開平 06— 272503号公報
非特許文献 1 :金沢他 「ロータジャーナル部の損傷」 火力発電、第 23卷 第 5号、 昭禾ロ 47年 5月発行、 p. 536 - 542
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] し力し、 9〜13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部に、母 材に比べ摺動特性の良好な、 Cr含有量の少ない低合金鋼を肉盛溶接で被覆する 従来の方法では、 9〜： 13%Cr系耐熱鋼が低合金鋼に比べ熱膨張率が小さいため、 溶接肉盛被覆層の表面に引張の残留応力が生じる。
[0010] このため、溶接時，後熱処理時、あるいは使用時に、溶接肉盛部や溶接熱影響部 等に割れが発生しやすいという問題があった。
[0011] また、肉盛溶接で被覆する方法では、溶接時の希釈のため、溶接肉盛被覆層に母 材の 9〜： 13%Cr系耐熱鋼から Crが溶け込み、溶接肉盛被覆層の Cr含有量が上昇 してしまう。
[0012] このため、表面が希釈の影響を受けない程度まで、厚く肉盛する必要があり、溶接 割れが生じやすレ、要因にもなつてレ、た。
[0013] また、この厚く肉盛が必要なこと、後熱処理が必要なことから、工程的にも不利でコ ストが高かった。
[0014] 本発明は、このような背景からなされたものであり、溶接割れがな 後熱処理も不 要で、ジャーナル部の摺動特性を改善した 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービ ン用口ータとその製造方法を提供するものである。
課題を解決するための手段
[0015] 本発明は、 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータであって、ロータの ジャーナル部の摺動面に、 Cr含有量が 3%以下の低合金鋼からなる被覆層を設け たことを特徴とする。
発明の効果
[0016] 本発明により、 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部 の摺動面における摺動性を改善することができる。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]本発明によるタービンロータの一例を示す模式図である。
[図 2]本発明によるタービンロータの施工例を示す模式図である。
[図 3]本発明による低合金鋼皮膜の断面組織の一例を示す顕微鏡写真である。
[図 4]本発明における軸受試験機の構成を示す模式図である。
[図 5]本発明による低合金鋼被覆の施工過程の一例（第一工程）を示す模式図であ る。
[図 6]本発明による低合金鋼被覆の施工過程の一例（第二工程）を示す模式図であ る。
[図 7]本発明による低合金鋼被覆の施工過程の一例（第三工程)を示す模式図であ る。
[図 8]軸受試験における軸受メタル温度の変化を示す模式図である。
[図 9]本発明による低合金鋼被覆をタービンロータシャフトに適用した高圧蒸気ター ビンを示す模式図である。
符号の説明
[0018] 1…ロータ、 2…ジャーナル部、 3…ジャーナル摺動面、 4…母材、 5…低合金鋼被 覆層、 10…溶射ガン、 21…電動機回転軸、 22…転がり軸受、 23…シャフト、 24- · · すべり軸受、 25…試験ジャーナル部、 26…台座、 31…軸径、 32…開先加工深さ、 3 3…傾斜角度、 41…第 1軸受、 42…第 2軸受、 43…推力軸受、 44…高圧隔板、 45 …高圧動翼、 46…高圧内部車室、 47…高圧外部車室、 48…タービンロータシャフト 、 49…主蒸気入口、 50…高圧蒸気排気口。
発明を実施するための最良の形態 [0019] 本発明は、図 1に示す 9〜： 13。/0Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータ 1のジャ 一ナル部 2の摺動面 3に、 9〜： 13%Cr系耐熱鋼よりも摺動特性に優れた、 Cr含有量 力 以下の低合金鋼からなり、任意断面組織における気孔と酸化物とを合わせた 欠陥の面積率が 3〜： 15%である被覆層を、高速フレーム溶射（HV〇F : High Velo city Oxy-Fuel)法にて形成することを最も主要な特徴とする。
[0020] 本発明の 9〜： 13%Cr系耐熱鋼力 なる蒸気タービン用ロータ 1は、ジャーナル部 2 の摺動特性改善を目的に、低合金鋼を摺動面 3に溶接肉盛被覆する従来の方法に 替えて、高速フレーム溶射法による低合金鋼被覆層を設けたものである。
[0021] 本発明は、従来の肉盛溶接被覆に比べ、非常に低入熱で低合金鋼被覆層を形成 可能である。
[0022] また、高速フレーム溶射法では、粉末粒子を高速で対象物に衝突させて被覆を形 成することから、被覆表面には圧縮の残留応力が生じる。従って、本発明の 9〜： 13% Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータでは、低合金鋼被覆層の割れが生じ難く 、被覆形成後の熱処理も省略できる。
[0023] さらに、希釈の影響が無いため、低合金鋼被覆層の厚さを薄くできる。
[0024] さらに、被覆内には任意断面の面積率で 3〜： 15%の欠陥が存在するため、これら が潤滑油の含油効果をもたらし、より摺動性に優れるという利点がある。
[0025] 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータのジャーナル部の摺動特性改 善という目的を、高速フレーム溶射法という低入熱の被覆形成方法を用いることで、 被覆層に割れがな 後熱処理も不要という、従来の肉盛溶接法に比べて、高信頼 かつ簡便に実現した。
[0026] 本発明の 9〜： 13%Cr系耐熱鋼力 なる蒸気タービン用ロータ 1は、ジャーナル部 2 の摺動特性改善を目的に、高速フレーム溶射法による低合金鋼被覆層を設けたもの である。
[0027] 本発明に用いる低合金鋼としては、 Cr含有量 3%以下が好ましい。その理由は、 C r含有量が 3%を越えると、摺動性の低下、熱伝導率の低下を招くためである。
[0028] 具体的には、重量比で 0. 5〜2. 5%Cr-0. 4〜： 1. 1%Μο_残部 Fe、 2. 0〜2.
5%Cr-0. 9〜： ί · 1 %Μο-0. 3%以下 V—残部 Fe等の組成を有する低合金鋼が 、被覆強度と摺動性とのバランスが良ぐ好適であるが、これらの成分に限定されるも のではなぐ適宜、当業者が選択することが可能である。
[0029] 本発明による低合金鋼被覆層の厚さとしては、 0. 5〜5mmが好ましい。その理由 は、厚さが 0. 5mm未満の薄い低合金鋼被覆層では、異物の混入等により低合金鋼 被覆層が摩耗を受けた際に、短時間で基材の 9〜 13 %Cr系耐熱鋼が露出してしま う可能性が高 長時間の耐久性の点で問題となるためである。
[0030] 一方、厚さが 5mmを越えると、高速フレーム溶射法の特徴である被覆層表面の圧 縮残留応力が次第に低下し、被覆層に割れや剥離が生じやすくなるため好ましくな い。
[0031] また、本発明による低合金鋼被覆層では、従来の肉盛溶接のように溶接による希釈 の影響がないため、被覆層の厚さがそのまま有効厚さとなるため、被覆層は肉盛溶 接の 1/2以下で同等の効果が得られる。不要に被覆層を厚くすることは、施工に長 時間を要し、不経済でもある。
[0032] また、本発明による低合金鋼被覆層は、任意断面組織における気孔と酸化物とを 合わせた欠陥の面積率が 3〜： 15 %であることが好ましい。
[0033] 図 3に本発明による低合金鋼被覆層の断面組織写真の一例を示す。 9〜： 13%Cr 系耐熱鋼母材 4の上に本発明による低合金鋼被覆層 5が厚さ約 1. 5mmで形成され ている。断面組織写真で低合金鋼被覆層 5には、黒い網目状の模様が認められる。 これは、主に低合金鋼被覆層 5を高速フレーム溶射法にて形成する際に、低合金鋼 溶射粉末が高速フレーム (火炎）中を飛行中に加熱され、粉末表面に生じた酸化物（ 主に Fe酸化物、微料の Fe以外の合金構成元素の酸化物を含む）、が低合金鋼被覆 層 5に取り込まれた結果生じた、気孔または酸化物からなる溶射皮膜中の欠陥である 。画像解析により、この欠陥（網目状の黒い領域）の被覆層断面内における面積率を 求めたところ約 10 %であつた。
[0034] これら欠陥は、気孔は当然ながら、酸化物も多孔質であるため、被覆層内で微細な 空隙として機能し、潤滑油を含浸保持する。このため油膜切れが生じ難 焼つきを 防止する効果をもたらす。
[0035] しかし、欠陥率が増加すると、潤滑油の含浸保持効果は高まる反面、被覆層の強 度が低下するため、高面圧'高周速の摺動条件下では被覆層の剥離、あるいは被覆 層内での層間破壊が生じやすくなつてしまう。
[0036] 従って、欠陥率が 3%未満では、含油保持効果が不十分であり、逆に 15%を越え ると被覆層の強度低下を招くため好ましくない。
[0037] 一方、被覆層の強度は欠陥の状態 '分布によって異なる。すなわち、欠陥率が同一 でも、粗大な欠陥が偏在する場合と、微細な欠陥が均一に分布している場合では、 後者の方が被覆層の強度は高い。このため、被覆層の密着強さは、 40MPa以上で あることが好ましい。被覆層の密着強さが 40MPa未満では、被覆層の剥離、あるい は被覆層内での層間破壊が生じやすい。
[0038] 以上のように、本発明の 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータにお いて、好適に用いられる低合金鋼被覆層としては、 Cr含有量が 3%以下の低合金鋼 力 なる被覆層で、被覆層の厚さが、 0. 5〜5mmの範囲、任意断面組織における気 孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が 3〜： 15%、かつ、被覆層の密着強さが、 40 MPa以上であることが最も好ましレ、。
[0039] このような被覆層の形成には、高速フレーム溶射法が最も好適に用いることができ る。これは、他の溶射法、例えば、プラズマ溶射，フレーム溶射，アーク溶射等が、材 料 (粉末，線材)を高温で溶融して吹きつけ、主に基材上で急冷凝固させ、皮膜を形 成するのに対し、高速フレーム溶射法では、粉末を高速で吹き付け、主にその運動 エネルギーによる基材衝突時の塑性変形を利用して、皮膜を形成する点に特徴があ る。
[0040] この成膜原理の違いにより、高速フレーム溶射法では、粉末の酸化を低く抑えるこ とが可能である。
[0041] また、材料を溶融し、基材上で急冷凝固する他の方法では、凝固固着した皮膜に は、引張残留応力が生じる。一方、高速フレーム溶射法では、材料を高速で基材に 衝突させた際の塑性変形を利用するため、皮膜には圧縮残留応力が生じる。このた め、高速フレーム溶射による皮膜は、密着強さや皮膜強度に優れ、皮膜の割れや剥 離が生じにくいという利点も有する。
実施例 1 [0042] 図 4に本発明による低合金鋼被覆の軸受特性を評価するために用いた軸受試験 機の構成を模式的に示す。本装置は、 2箇所の転がり軸受 22で回転自在に支承さ れたシャフト 23の一端に試験ジャーナル部 25が設けられており、すべり軸受 24と組 合せて、試験軸受部を構成する。
[0043] すべり軸受 24には潤滑油供給機構（図示せず)から給油がなされる。すべり軸受 2 4は油圧により昇降可能な台座 26上に取り付けられている。シャフト 23のもう一方の 端部は、電動回転機（図示せず）の回転軸 21と連結されており、電動回転機の回転 によりシャフト 23が回転する。軸受試験は、シャフト 23を電動回転機によって回転さ せながら、台座 26を上昇させることで試験ジャーナル部 25とすべり軸受 24との摺動 面に適当な面圧を与えて行う。
[0044] 12%Cr系耐熱鋼（l l %Cr— 2· 6%W— 0· 2%Μο— 2· 5%Co— 0. 5%Ni— 0· 5%Μη- 0. 2%V- 0. 05%Si— 0. 1 %C— 0. l %Nb— 0. 03%Ν— 0. 02%Β —残部 Fe)製のシャフト 23の試験ジャーナル部 25に、以下に示す手順で低合金鋼 被覆層 5を形成した。
[0045] 先ず、試験ジャーナル部 25に、図 5に示すように、深さ 32が 2mmの開先加工を施 した。開先加工の両端は傾斜角度 33が 30° の傾斜面とした。
[0046] これは、開先加工の端部で溶射被覆層と母材との間に欠陥が生じ、密着性が低下 することを防止するためである。傾斜角度（傾斜面の勾配） 33は 15〜45° が好まし レ、。なお、符号 31は軸径である。
[0047] 次に、開先加工面を含む施工範囲の表面を脱脂洗浄後、アルミナグリッドを用いた ブラスト処理によって粗面化した。その後、溶射粉末として低合金鋼粉末（1. 3%Cr - 0. 5%Mo - Fe, f分末粒径： 25〜63 z m)を用レヽ、 TAFA社 ¾[P5000型 H VOF装置にて、図 6に示すように、開先加工の深さ 32よりも約 lmm厚 低合金鋼 被覆層 5を形成した。ここで、符号 31は軸径であり、符号 33は傾斜角度である。
[0048] 溶射条件は、燃料 (灯油）流量 23L/hr，酸素流量 873LZhr,燃焼圧力 0. 7MP a,粉末供給量 60g/分，バレル長 100mm (4インチ），溶射距離 380mmとした。こ れを、図 2に示すように、ロータ 1を回転させながら、摺動面 3に対してほぼ平行に溶 射ガン 10を移動させ、溶射ガン 10と施工面との相対速度が 200〜750mm/秒で 溶射した。
[0049] なお、同様の溶射条件で、 12%Cr系耐熱鋼試験片に施工した低合金鋼被覆の断 面組織を観察し、画像解析により欠陥率を求めたところ、約 10%であった。
[0050] また、 JIS H8402 : 2004「溶射被膜の引張密着強さ試験方法」に準じて、引張密 着強さを測定したところ、接着剤で破断したため測定値は得られな力つたが、接着剤 破断時の密着強さが約 70MPaであったので、被覆層の密着強さは 70MPa以上で あった。
[0051] 溶射施工後、図 7に示すように、被覆層施工部を所定の軸径 31となるように機械加 ェ，研磨加工によって仕上げた。ここで、符号 5は加工された低合金鋼被覆層であり 、符号 32は開先加工の深さであり、符号 33は傾斜角度である。
[0052] このようにして、試験ジャーナル部 25に低合金鋼被覆層 5を設けた 12%Cr系耐熱 鋼シャフト 23を、図 4に示した装置に組込み軸受試験を行った。
[0053] なお、比較のために、低合金鋼被覆層 5を設けない 12%Cr系耐熱鋼シャフト、及 び、従来の肉盛溶接シャフトについても試験を行った。
[0054] 試験条件は、周速 50m/秒，軸受荷重 30kg/cm2の定常回転中に、軸受に給油 している潤滑油中に 125〜300 x mの鉄粉を約 lg/分の割合で約 10分間投入し、 強制的に軸受部に異物を混入させて、シャフト，軸受メタルの損傷を調べた。また、 試験中の軸受メタル温度を測定した。異物投入により、シャフトと軸受メタル間で油膜 切れが生じて潤滑が損なわれると、金属同士の摩擦熱で温度が上昇する。従って、 軸受メタル温度の上昇が低いほど摺動性が良い。
[0055] 試験中の軸受メタル温度変化を図 8に示す。本発明の低合金鋼被覆層を設けた 1 2%Cr系耐熱鋼シャフトを用いた試験では、異物投入後、突発的な温度上昇が認め られたが短時間で低下し、安定状態の温度は約 80°Cであった。一方、低合金鋼被 覆層を設けない 12%Cr系耐熱鋼シャフトを用いた試験では、異物投入後、連続的 に温度が上昇し約 200°Cで一定となった。また、従来の肉盛溶接シャフトを用いた試 験では、異物投入後、しばらくは本発明の低合金鋼被覆層を設けた 12%Cr系耐熱 鋼シャフトと同様に、突発的に温度上昇して短時間で低下するという挙動を示したが 、試験後半で、低合金鋼被覆層を設けない 12%Cr系耐熱鋼シャフトと同様に連続 的に温度上昇し、最終的には約 200°Cに達した。
[0056] 試験後のシャフトと軸受メタルの損傷状況を目視で観察した。その結果、本発明に よる低合金鋼被覆層を設けた 12%Cr系耐熱鋼シャフトでは、シャフトの摺動面に僅 かに擦り傷が認められる程度で、ほとんど損傷は生じなかったが、軸受メタルは損傷 した。
[0057] 一方、低合金鋼被覆層を設けない 12。/0Cr系耐熱鋼シャフト、従来の肉盛溶接シャ フトでは、シャフトの摺動面に細い筋状に削られた傷が幾筋も生じた。ワイヤーウール 状の異物の発生も認められた。軸受メタルも激しく損傷した。
[0058] このように、本発明による低合金鋼被覆層を設けた 12%Cr系耐熱鋼ロータでは、 低合金鋼被覆層を設けない場合に比べ、軸受特性を大幅に改善できることがわかつ た。さらに、従来の肉盛溶接シャフトに比べても、軸受特性に優れることがわかった。 実施例 2
[0059] 図 9に示す、 12%Cr系耐熱鋼（l l %Cr_ 2. 6%W_0. 2%Mo- 2. 5%Co-0 . 5%Ni-0. 5%Mn-0. 2%V— 0. 05%Si— 0. 1 %C— 0. l%Nb— 0. 03%N -0. 02%B_残部 Fe)製タービンロータシャフト 48、高圧隔板 44、高圧動翼 45、高 圧内部車室 46、高圧外部車室 47、主蒸気入口 49、蒸気排気口 50等から構成され る高圧蒸気タービンの、タービンロータシャフト 48に設けられた第 1軸受 41、第 2軸 受 42、推力軸受 43の摺動部に本発明の低合金鋼被覆を施した。
[0060] 施工方法は実施例 1と同様に、先ず、施工部に深さが 3mmの開先加工を施した。
開先加工の両端は傾斜角度 33が 30° の傾斜面とした。次に、開先加工面を含む施 ェ範囲の表面を脱脂洗浄後、アルミナグリッドを用いたブラスト処理によって粗面化し た。その後、溶射粉末として低合金鋼粉末（1. 3%Cr-0. 5%Mo—残部 Fe,粉末 粒径： 25〜63 x m)を用レヽ、 TAFA社 MJP5000型 HVOF装置にて、開先加工の 深さよりも約 lmm厚ぐ低合金鋼被覆層を形成した。
[0061] 溶射条件は、燃料 (灯油）流量 23L/hr,酸素流量 873L/hr,燃焼圧力 0. 7MP a,粉末供給量 60g/分，バレル長 100mm (4インチ），溶射距離 380mmとした。こ れを、タービンロータシャフト 48を回転させながら、施工面に対してほぼ平行に溶射 ガンを移動させ、溶射ガンと施工面との相対速度が 200〜750mm/秒で溶射した。 溶射施工後、被覆層施工部を所定の軸径となるように機械加工、研磨加工によって 仕上げた。
[0062] このようにして、軸受摺動部に本発明の低合金鋼被覆層を形成したタービンロータ シャフト 48を用いた高圧蒸気タービンを 1年間運転後に点検したところ、タービンロー タシャフト 48の軸受摺動部、および、軸受メタルともに健全であった。
産業上の利用可能性
[0063] 本発明により、蒸気タービン用ロータを支持する軸受部の耐久性を向上させること ができる。

Claims

請求の範囲
[1] 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータにおいて、前記ロータのジャー ナル部の摺動面に、 Cr含有量が 3%以下の低合金鋼からなる被覆層を設けたことを 特徴とする蒸気タービン用ロータ。
[2] 前記 Cr含有量が 3%以下の低合金鋼からなる被覆層の厚さが 0. 5〜5mmである ことを特徴とする請求項 1記載の蒸気タービン用ロータ。
[3] 前記 Cr含有量が 3%以下の低合金鋼からなる被覆層は、任意断面組織における 気孔と酸化物とを合わせた欠陥の面積率が 3〜： 15%であり、かつ、前記 Cr含有量が 3%以下の低合金鋼からなる被覆層の密着強さが 40MPa以上であることを特徴とす る請求項 1乃至 2記載の蒸気タービン用ロータ。
[4] 9〜： 13%Cr系耐熱鋼からなる蒸気タービン用ロータの製造方法において、前記口 ータのジャーナル部の摺動面に、 Cr含有量が 3%以下の低合金鋼からなる被覆層を 、高速フレーム溶射（HVOF : High Velocity 〇xy_Fuel)法にて形成し、その後 、前記被覆層の表面を機械加工あるいは研磨加工して、所定の寸法及び表面粗さ に加工することを特徴とする蒸気タービン用ロータの製造方法。
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