JP2000510904A - マルテンサイト―オーステナイト鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 主としてクロム８〜１５％、モリブデン０.５〜２.５％、タングステン２％まで、コバルト４〜１０％、ニッケル０.５〜６％、マンガン２.５〜８％、バナジウム０.１〜１.０％、窒素０.０５〜０.２５％、炭素０.２％まで（重量％で測定して）、残りは鉄及び不純物より成る、マルテンサイト−オーステナイト鋼。このマルテンサイト−オーステナイト鋼はガスタービンの回転子又は回転翼の材料として、殊に４５０℃より高い温度で使用できる。２相のマルテンサイト−オーステナイト組織の調節は、溶体化処理及び焼き入れ処理された鋼組織の５５０℃〜６５０℃の温度範囲での熱処理により行う。

Description

【発明の詳細な説明】 マルテンサイト−オーステナイト鋼 産業上の利用分野 本発明は、マルテンサイト−オーステナイト鋼、殊にガスタービンのクリープ 負荷される構築材料としての使用に関する。 技術の背景 熱発電所での使用のための材料、殊に回転子又は回転翼用の材料としての調質 可能なクロム鋼の使用は、現在の技術水準である。ニッケル−ベース超合金に比 べて調質可能なクロム鋼は、良好な破壊しない試験性により優れている。更に、 それらは比較的低い熱膨張係数及び高い熱伝導性を有し、このことは、熱疲労に 対する抵抗を高める。しかしながら、この調質鋼は、４５０℃より高い温度では 、耐熱性、クリープ抵抗及び粘り強さに関して所望の要求に達しない。 名称Ｘ１２ＣｒＮｉＭｏ１２を有する調質可能なマルテンサイト鋼が公知であ る。この鋼は、鉄以外にＣ０.１０〜０.１４％、Ｓｉ０.１０〜０.４０％、Ｍｎ ０.５〜０.９％、Ｃｒ１１〜１２％、Ｍｏ１.３〜１.８％、Ｖ０.２〜０.３５％ 及びＮ０.０２〜０.０５％及び通常の不純物を含有する。この鋼は、４５０℃を 下回る温度範囲では比較的高い高温降伏点及び比較 的高いクリープ抵抗を有する。しかしながら、４５０℃より高い温度では、この 高温降伏点及びクリープ特性は不充分である。更に、この鋼はより高い温度では 少なくはない脆化傾向を有する。 ＥＰ−Ａ−４８１３７７から、重量％で、クロム１０〜１７％、モリブデン４ ％以下、コバルト４％まで、ニッケル８％まで、マンガン１０％まで、バナジウ ム１.０％まで、窒素０.３％まで、炭素０.１５％まで、珪素６％まで、銅４％ まで、残りが鉄と不純物を組成とする、高強度のマルテンサイト−オーステナイ ト鋼が公知である。 発明の詳細な説明 本発明は、４５０℃〜最低５５０℃の温度範囲での充分な耐熱性及び粘り強さ を有するガスタービン回転子又は回転翼に使用するためのマルテンサイト−オー ステナイト鋼を提供することを課題とする。 本発明によれば、これは、請求項１の特徴により達成される。 本発明の核心は、焼き戻されたマルテンサイト及び熱力学的に安定なオーステ ナイトより成る非常に微細な２相微細構造の調節である。この鋼は、主としてク ロム８〜１５％、コバルト４〜１０％、マンガン２．５〜８％、ニッケル０.５ 〜６％、モリブデン０.５〜２.５％、タングステン２％まで、バナジウム０.１ 〜０.５％、炭素０.０５〜０.２％、窒素０.０５〜０． ２５％、残りが鉄及び通常の融解により生じる不純物より成る。 本発明の利点は、特に、二重構造で構成された鋼が４５０℃より高い温度でも 高い高温降伏点及び高いクリープ抵抗を有し、その高い構造安定性に基づき低い 脆化傾向を有することにある。 更なる有利な実施態様は、従属請求項から明らかである。 発明の実施態様 本発明による使用のために開発された鋼は、主として（重量％として測定して ）クロム８〜１５％、コバルト４〜１０％、マンガン２.５〜８％、ニッケル０. ５〜６％、モリブデン０.５〜２.５％、タングステン２％まで、バナジウム０. １〜１.０％、炭素０.０５〜０.２％及び窒素０.０５〜０.２５％を含有し、鋳 造又は粉末冶金学的方法で製造することができる。 公知で、工業で使用されている９〜１２％クロム鋼は、その焼き戻しマルテン サイト中に形成された転位ネットワーク上への極めて微細な析出の安定化作用を 介してその耐熱性及びクリープ抵抗を達成する。本発明の使用のために開発され た鋼においては、この微細な析出に加えてその低い自己分散性に基づき、かつ相 界の形成を介して耐熱性及びクリープ抵抗の増加に寄与する面心立方相（オース テナイト）が導入される。クリープ改善性の第２相としてのオーステナイトを有 するマルテンサイト鋼は、工業では公知である。しかしながら、本発明による鋼 に比べて、それはそのオーステナイト部分が熱力学的に安定ではなく、従って熱 脆化に関する高い敏感性を示すことで異なっている。 次に、本発明による合金の選択された合金範囲のための各々の元素に関する特 に好ましい量及びその理由を示す。 混晶中に溶けているクロムにより、酸化抵抗は高められる。六方晶系窒化クロ ムの形成を介して、Ｃｒはクリープ抵抗の改善のためにも寄与することができる 。これを達成するために、８重量％の最小−Ｃｒ−含有率が必要である。しかし ながら、このクロム含有率は、１５重量％を越えてはならない。さもないと、粘 り強さ及び高温耐熱性の低下をもたらすδ−フェライトが形成されるからである 。従って、好適なクロムの範囲は、約８〜１５重量％、好ましくは９〜１２重量 ％、殊に約１０重量％である。 本発明の鋼中で、マンガンはオーステナイト領域中の窒素溶解性を特に有効に 高める。この溶体化処理の際に、六方晶系（Ｃｒ、Ｖ）₂Ｎ及び立方晶系（Ｖ、 Ｃｒ）Ｎの安定な窒化物を溶解させるために、２.５重量％の最小−Ｍｎ含有率 が望ましい。この焼き戻し処理の際に、マンガンは形成されたオーステナイト中 で濃縮され、決定的にそのマルテンサイト−開始温度を低下させ、即ちマンガン はオーステナイトを安定化 させる。この理由からも、マンガン含有率は最低２．５重量％であるべきである 。しかしながら、このＭｎ−含有率は、それを越えるとこの合金は完全にはオー ステナイトにならないので、８重量％を越えてならない。従って、好適なマンガ ンの範囲は、約２.５〜８重量％、好ましくは３.５〜６.５重量％、殊に約５重 量％である。 ニッケルは、例えばδ−フェライト含有率を有効に低下させるので、マルテン サイトクロム鋼中の粘り強さを高める。マンガンと同様に、ニッケルは二重構造 中のオーステナイト相を安定化させる。この理由から、この合金中には少なくと も０.５重量％のニッケルを含有すべきである。６重量％より高いニッケル含有 率では、Ａ_C3−点が著しく低下される。従って、好適なニッケルの範囲は約０. ５〜６重量％、好ましくは２〜５重量％、殊に約３.７重量％である。 コバルトは、融液からの合金がオーステナイト性に硬化する程度にニッケル当 量を高める。これにより窒素エフュージオン及びそれに伴う孔形成が避けられる 。従って、Ｃｏ−含有率は少なくとも４重量％であるべきである。しかしながら 、この合金がなお充分に高いＡ_C3温度を有するためには、Ｃｏ−含有率は１０重 量％を越えてはならない。従って、コバルトの好適な範囲は、約４〜１０重量％ 、好ましくは５〜８重量％、殊に約６重量％である。 モリブデンは焼き戻し安定性及び耐熱性を促進するので、０.２重量％の最低 含有率を保持すべきである。このＭｏ−含有率は２.０重量％を越えてはならな い、さもないと緻密なラーべス相形成が起こりうるからである。従って、モリブ デンの好適な範囲は０.５〜２.５重量％、好ましくは１.０〜２.０重量％、特に 約１.５重量％である。 タングステンは、モリブデンと同様に作用する。ラーベス相形成の危険の故に 、２重量％の含有率を越えるべきではない。従って、タングステン含有率は、０ 〜２重量％の範囲、好ましくは１重量％以下のである。 バナジウムは、窒素及び少割合のクロムと一緒になって整合性のかつ部分整合 性の立方形窒化物の濃厚な分散液を形成し、これはかなり耐熱性及びクリープ抵 抗を決定する。少なくとも０.１重量％のＶを合金に入れるべきである。しかし ながら、バナジウムはδ−フェライト形成の傾向を促進するので、Ｖは１.０重 量％を越えるべきではない。０.１５〜０.６５重量％の範囲のバナジウム含有率 が有利である。 窒素は、原子状で溶解された状態で、冷却時にオーステナイト相から拡散なし のマルテンサイト変換を促進する。これにより調質可能性が確保される。更に、 これは、Ｖ及びＣｒと、場合によってはＮｂ、Ｔｉ及びＴａと既に記載の窒化物 を形成する。従って、窒素 は、ほぼ化学量論的な量で合金化されるべきである。硬化時にＮ−エフュージオ ンが起こりうるので、０．２５重量％の上限を越えてはならない。従って、Ｎ− 含有率は約０.０５〜０.２５重量％の範囲、好ましくは０.０７〜０.１５重量％ の範囲であるべきである。 炭素は、クロムと一緒になってＣｒ₂₃Ｃ₆の形の炭化物の形成を促進する。こ の炭化物は、その化学量論に基づき、本発明による鋼中で形成されるＣｒ₂Ｎよ りも多くのクロムをマトリックスから除去する。この理由から、炭素含有率は０ .２重量％、好ましくは０.１重量％を越えてはならない。 ニオブ、チタン、ジルコニウム及びタンタルは、バナジウムと一緒にＭＸ型の 特殊窒化物を形成することのできる合金元素である。それらの作用効果は、第一 に、それらが少量の混合量でもＶ（Ｎ、Ｃ）−析出の安定性を高めることに基づ く。しかしながら、高すぎる含有率では、窒化物の安定性は高すぎて、それらは 溶体化処理時に溶解され得ない。この理由から、これらの元素の全含有率は０. ５重量％までに限定されるべきである。 ホウ素は、析出の粗大粒子化抵抗を高める。それは偏析を起こす傾向を有する ので、その含有率は０.０２重量％までに限定されるべきである。 通常現れる製造からの不純物のうち、燐、硫黄、アンチモン、錫及び砒素等の 元素は、後の表中に記載の 含有率を越えてはならない。このことは焼き戻し時の脆化を避けるために必要で ある。 本発明による鋼は、調質工程によって得られるマルテンサイト−オーステナイ ト構造を有する。この調質工程は、溶体化処理、硬化及び引き続く焼き戻しより 成る。 この溶体化処理は、ＶＮの形の全ての窒化物を溶解させるためには、１０５０ ℃≦Ｔ≦１２５０℃の温度範囲、好ましくは１１００℃≦Ｔ≦１２３０℃、殊に １２００℃で行うべきである。焼き戻し処理を介して、マルテンサイト相のオー ステナイト含有率及び硬化の度合いが調節される。１５〜４５％の所望のオース テナイト分に調節するために、焼き戻し温度を５５０℃≦Ｔ≦６５０℃、好まし くは５８０℃≦Ｔ≦６３０℃の範囲内に選択すべきである。 実施例 次の特に有利な実施形につき、合金８１７と称される前記の合金を詳細に例示 して説明する。合金８１７の組成を第１表及び第２表に記載する。この際、第２ 表は、可能な不純物の最大含有率を示している。 溶体化処理及び焼き入れ処理の後に、この合金を６００℃で４時間焼き戻した 。この熱処理の後に、この組織は、２００〜３００ｎｍの相範囲寸法で約３７％ のオーステナイト相分を有する２相のマルテンサイト−オーステナイトであった 。 本発明による合金８１７の特性を、第３表中で、先に記載の合金Ｘ１２ＣｒＮ ｉＭｏ１２と比較する。 第３表によれば、合金８１７は、合金Ｘ１２ＣｒＮｉＭｏ１２に比べて全体的 に良好な特性により優れている。高い耐熱性及びクリープ抵抗は、５５０℃まで の高い温度でのガスタービンの回転子又は回転翼材料としての使用を可能とする 。 第１表 第２表 第３表

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ライナー シュタインス スイス国 チューリッヒ ゼーグネスシュ トラーセ ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．重量％で測定して、クロム８〜１５％、モリブデン０.５〜２.５％、タング ステン２％まで、コバルト４〜１０％、ニッケル０.５〜６％、マンガン２.５〜 ８％、バナジウム０.１〜１.０％、窒素０.０５〜０.２５％、炭素０.２％まで 、残りは鉄を、不純物と一緒に含有し、選択的になおホウ素最大０．０２％まで 及び／又は選択的になお元素ニオブ、チタン、ジルコニウム及びタンタルの合計 最大０.５％までを含有する、マルテンサイト−オーステナイト鋼。 ２．クロムは９〜１２％の範囲及び／又はモリブデンは１.０〜２.０％の範囲及 び／又はコバルトは５〜８％の範囲及び／又はニッケルは２〜５％の範囲及び／ 又はマンガンは３.５〜６.５％の範囲及び／又はタングステンは１.０％及び／ 又はバナジウムは０.１５〜０.６５％の範囲及び／又は窒素は０.０７〜０.１５ ％の範囲で存在し、かつ／又は０.１％までの炭素が存在する、請求項１に記載 のマルテンサイト−オーステナイト鋼。 ３．熱発電所における耐熱性及びクリープ抵抗性材料としての、請求項１又は２ に記載のマルテンサイト−オーステナイト鋼の使用。 ４．溶体化処理されかつ焼き入れられた状態の鋼合金 を５５０℃〜６５０℃の温度範囲で、オーステナイト２０〜５０％の容量割合を 有する組織が生じるように焼き戻しを行うことを特徴とする、請求項１又は２に 記載のマルテンサイト−オーステナイト鋼を得るための熱処理法。 ５．鋼合金を１０５０℃≦Ｔ≦１２５０℃の温度範囲内で溶体化処理する、請求 項４に記載の方法。