JPH0319295B2

JPH0319295B2 -

Info

Publication number: JPH0319295B2
Application number: JP56210950A
Authority: JP
Inventors: Masao Shiga; Seishin Kirihara; Mitsuo Kuryama; Takatoshi Yoshioka; Ryoichi Sasaki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-12-25
Filing date: 1981-12-25
Publication date: 1991-03-14
Also published as: DE3277309D1; CA1207168A; US4477280A; JPS58110661A; EP0083254B1; EP0083254A3; EP0083254A2

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は新規な耐熱鋼に係り、特に550〜600℃
において高いクリープ破断強度と高靭性特性を有
し、かつ均一な焼もどしマルテンサイト組織を有
する蒸気タービン用ブレード及びロータに使用す
る耐熱鋼に関する。現在の蒸気タービンは蒸気温度最大566℃、蒸
気圧力最大246atgである。ブレード材としてはク
ルシブル422鋼（12Cr1Mo1W1/4Ｖ鋼やH46鋼
（12CrMoNbV鋼）及びロータシヤフト材して
1Cr−1Mo−1/4Ｖ鋼や特公昭40−4137，特開昭
56−116858に示されている11Cr−1Mo−1/4Ｖ−
Nb−Ｎ鋼が用いられている。最近、石油，石炭などの化石燃料のコストが上
昇を続けており、これらの化石燃料を用いている
火力プラントの発電効率向上が重要になつてい
る。発電効率を上げるためには蒸気タービンの蒸
気温度又は圧力を上げる必要がある。これら高効
率タービン用材料としては、現用タービン材では
強度不足で、これによりも高強度の材料が必要で
ある。しかし、前述した合金はいずれも高温強度及び
靭性が高温化に対して十分でない。本発明の目的は、高温強度の高い耐熱鋼を提供
するにある。本発明は、重量で、Cr8〜13％、Mo0.5〜２％，
V0.02〜0.5％，Nb0.02〜0.15％，N0.025〜0.1％，
C0.05〜0.25％，Si0.6％以下、Mn1.5％以下，
Ni1.5％以下，Al0.02％以下及びW0.1〜0.65％を
含み、残部が実質的にFeであり、全焼戻マルテ
ンサイト組織を有し、後述するクロム当量が４〜
12であることを特徴とする耐熱鋼にある。本発明は最適のＣ，Si，Ni，Mo，Ｖ，Nb及
びＮ量を含有する高Crマルテンサイト系合金鋼
に、特定の極微量のAlと微量のＷとを添加する
ことによつて靭性を低下させずに顕著に高温長時
間クリープ波断強度が高められることを研明して
なされたものである。蒸気タービン用ロータには、Cr9〜12％，
Mo0.75〜1.75％，V0.05〜0.3％，Nb0.02〜0.12
％，N0.025〜0.1％，C0.1〜0.25％，Si0.25％以
下，Ni1％以下，Mn1％以下，Al0.01％以下及び
W0.1〜0.5％を含み、残部が実質的にFeであり、
クロム当量が４〜10.5である全焼戻マルテンサイ
ト鋼、ブレードには、Cr9〜12％，Mo0.75〜1.75
％，V0.1〜0.3％，Nb0.05〜0.15％，N0.025〜0.1
％，C0.05〜0.2％，Si0.25％以下，Ni1％以下，
Mn1％以下，Al0.015％以下及びW0.15〜0.5を含
み、残部が実質的にFeであり、クロム当量が６
〜12である全焼戻しマルテンサイト鋼が好まし
い。Ｃは高い引張さを得るために0.05％以上必要な
元素であるが、その量が0.25％を越えると、高温
に長時間さらされた場合に組織が不安定になり長
時間クリープ破断強度を低下させるので、0.05〜
0.25％に限定される。特に、0.1〜0.2％が好まし
い。 Nbは高温強度を高めるのに非常に効果的な元
素であるが、あまり多量に添加すると特に大型鋼
塊ではNb炭化物の阻大な析出が生じ、また、マ
トリツクスのＣ濃度を抵下させ、かえつて強度を
低下させたり、疲労強度を低下させるδフエライ
トを析出させる欠点があるので0.15％以下に抑え
る必要がある。また0.02％未満のNbでは効果が
不十分である。特に、0.07〜0.12％が好ましい。Ｎはクリープ破断強度の改善及びδフエライト
の生成防止に効果があるが、0.025％未満ではそ
の効果が充分でなく0.1％を越えると著しく靭性
を低下させる。特に、0.04〜0.07％が好ましい。 Crは高温強度を改善するが、13％を越えると
δフエライトを生成させる原因となり、８％より
少ないと高温高圧蒸気に対する耐食性が不十分と
なる。特に、10〜11.5％が好ましい。Ｖはクリープ破断強度を高める効果があるが、
0.02％未満ではその効果が不十分で、0.5％を越
えるとδフエライトを生成して疲労強度を低下さ
せる。特に、0.1〜0.3％が好ましい。 Moは固溶強化及び析出硬化作用によつてクリ
ープ強度を改善するが、0.5％未満ではその効果
が少なく、２％を越えるとδフエライトを生成
し、靭性及びクリープ破断強度を低下させる。特
に、0.75〜1.5％が好ましい。 Niは靭性を高め、かつ、δフエライトの生成
を防止するのに非常に有効な元素であるが、1.5
％を越える添加はクリープ破断強度を低下させて
しまうので好ましくない。特に、0.4〜１％が好
ましい。 Mnは脱酸剤として添加するものであり、少量
の添加でその効果は達成され、1.5％を越える多
量添加はクリープ破断強度を低下させる。特に
0.5〜１％が好ましい。 Siも脱酸剤として添加するものであるが、真空
Ｃ脱酸法などの製鋼技術によれば、Si脱酸は不要
であり、Siは実質的に含有されない。従つて、Si
脱酸する場合でもSiを低くすることにより、δフ
エライト析出防止及び靭性改善に効果があるの
で、0.6％以下に抑える必要がある。添加する場
合、特に、0.25％以下が好ましい。Ｗは微量で顕著に高温強度を高める。0.1％未
満では効果が少なく、また0.65％を越えると急激
に強度を低下させる。Ｗは0.1〜0.65％以下とす
べきである。一方、Ｗは0.5％を越えると著しく
靭性を低めるので、靭性が要求される部材では
0.5％未満とするのが好ましい。特に、0.2〜0.45
％が好ましい。 Alは脱酸剤として有効な元素で、0.02％以下添
加する。0.02％を越えるAl量は高温強度を低め
る。特に、0.005〜0.015％が好ましい。少量のＷを添加し、Al含有量を0.02％以下に抑
えることによつて高温で長時間加熱された場合の
冶金組織の安定性が改善され、高温長時間クリー
プ破断強度が著しく高められる。一般に、クリー
プ破断強度を高めると靭性が低下するという相反
する現象があるが、本発明によれば靭性を損わず
にクリープ破断強度が改善できることが確認され
た。本発明の耐熱性は、実質的に全焼戻マルテンサ
イト組織からなる。この合金はδフエライトが組
成によつて形成されるので、実質的に形成されな
い組成としなければ、高い高温強度が得られな
い。δフエライト量の制御はクロム当量によつて
行うことができる。クロム当量は各元素の含有量
として重量％を用いて計算される。クロム当量＝−40×Ｃ％−30×Ｎ％−２×Mn％ −４×Ni％＋Cr％＋６×Si％＋４×Mo％＋1.5×Ｗ％＋11×Ｖ％＋５×Nb％本発明において、蒸気タービン用ブレードの場
合のクロム当量は12以下、特に、６〜12、更に９
〜12が好ましい。ロータシヤフトの場合は10.5以
下、特に４〜9.5、更に6.5〜9.5が好ましい。 δフエライト組織が生成すると疲労強度及び靭
性を低下させるので組織は均一な焼もどしマルテ
ンサイト組織にする必要がある。実施例１高周波誘導溶解炉を用いて鋼塊を作製し、次に
1150℃に加熱後、35mm×1115mm×に熱間鍛伸し
た。第１表はこれらの代表的試料の化学組成を示
す。試料No.１はクルシブル422相当材、No.２は
H46相当材であり、本発明材と比較のため溶製し
たものである。試料No.３及び４が本発明鋼であ
る。第２表は蒸気タービン用ブレードとして行われ
るものと同じ条件で行つた試料に熱処理条件を示
す。試料No.１は1050℃から油焼入れ後、630℃で
焼戻ししたもの、No.２〜６は1100℃から油焼入れ
後、650℃で焼戻ししたものである。第３表は機
械的性質を示す。表中のFATTは衝撃試験後の
試験片破面が延性破面50％、脆性破面50％を示す
温度（50％破面遷移温度）であり、この温度が低
いほど靭性は高い。この表で600℃、105hクリー
プ破断強度を見ると、発明材は14.2〜14.5Kg／mm²
で、高効率タービン材として必要な強度（12.5
Kg／mm²）以上であり、現用ブレード材No.１（6.4
Kg／mm²）及びNo.２（9.1Kg／mm²）より著しく高いこ
とが確認された。また靭性（衝撃値及びFATT）
も現用材と同等もしくはそれ以上であり、高試高
圧蒸気タービンブレードとしてきわめて有用であ
ると言える。比較材No.５のようにAlが0.02％を越えるもので
は長時間クリープ破断強度が低く、本発明の目的
が達成されない。また比較材No.６のようにＷが多
すぎてもδフエライトが析出し、靭性が低く、ク
リープ破断強度も発明材に比べると低い。第１図は600℃、10⁵時間クリープ破断強度に及
ぼすＷ量の影響を示す線図である。図に示す如
く、Ｗは0.1％以上で顕著に強度を高めるが、逆
に0.65％を越えると急激に強度を低めることがわ
かる。特に、0.2〜0.45％の範囲で最も効

【表】

【表】果が顕著である。第２図はFATTに及ぼすAl及びＷの影響を示
す線図である。AlはFATTにあまり影響しない
が、Ｗは0.45％を越えると著しくFATTを高め、
靭性を低めることがわかる。実施例２高周波誘導溶解炉を用いて鋼塊を作製し、次に
1150℃に加熱後鍛造し実験素材とした。この素材
から試験用素材を切り出し、蒸気タービン用ロー
タ中心部をシミユーレートした熱処理を施した
後、鍛造直角方向に引張試験片、衝撃試験片及び
クリープ破断試験片を採取した。第４表は代表的
試料の化学組成（重量％）を示す。試料No.1A及
び2Bは、従来ロータASTM470−Class8及び
11Cr1MoVNbN鋼相当材であり、No.3C，4C及び
7Cは本発明材であり、No.5C及び6Cは比較材であ
る。第５表は試料の熱処理条件を示す。焼入冷却
速度は大型ロータの中心部の条件をシミユーレー
トして100℃／ｈで冷却した。第６表は機械的性
質を示す。表中のFATTは50％破面遷移温度で
あり、この温度が低いほど靭性が高いと言える。
クリープ破断強度を見ると発明材の600℃，10⁵h
クリープ破断強度は11Kg／mm²で、高効率タービン
材として必要な強度

【表】

【表】（10Kg／mm²以上）以上であり、現用タービンロー
タ材Cr−Mo−Ｖ鋼（4.6Kg／mm²）及び
11Cr1MoVNbN鋼（8.5Kg／mm²）よりり著しく高
いことが確認された。また靭性も現用材（No.1A
及び2B）より優れており、高温高圧蒸気タービ
ン用ロータとしてきわめて有用であると言える。 No.5CのようにAlが0.015％を越えると、10⁵時間
クリープ破断強度が11Kg／mm²以下となる。が達成
されない。比較材No.6CのようにＷが多すぎても
δフエライトが析出し、靭性が低く、発明の目的
が達成されないことも確認された。第３図は600℃，10⁵時間クリープ破断強度に及
ぼすＷの影響を示す線図である。図に示す如く、
Ｗは0.1〜0.65％で高い強度を示している。第４図はFATTに及ぼすＷの影響を示す線図
である。図に示す如く、Ｗは0.1〜0.65％で
FATTが低く、高い靭性を有することがわかる。
特に0.2〜0.5％でFATTが低い。蒸気タービン用ロータシヤフトは焼入れ温度で
の加熱保持中及び焼戻し温度での加熱保持中さら
に冷却時をシヤフトをゆつくり径方向に回転させ
ながら行うことが全体を均一な温度に加熱するこ
とから好ましい。このような熱処理によりロータ
シヤフトは長時間使用に対して経年曲りが防止で
きる。本発明鋼の600℃までの高温クリープ破断強度
は著しく高く、高効率蒸気タービン用ブレード及
びロータとして要求される強度を十分満足し、
600℃までの高効率タービン用ブレード及びロー
タとして好適である。なお本発明材は、他の高温機器部材にも用いら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は600℃，10⁵時間クリープ破
断強度とＷ量との関係を示す線図、第２図及び第
４図はFATTとAl，Ｗ量との関係を示す線図で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】１重量で、Cr8〜13％，Mo0.5〜２％，V0.02
〜0.5％，Nb0.02〜0.15％，N0.025〜0.1％，
C0.05〜0.25％，Si0.6％以下、Mn1.5％以下、
Ni1.5％以下，Al0.02％以下及びW0.1〜0.65％を
含み、残部が実質的にFeであり、全焼戻マルテ
ンサイト組織を有し、下記の式によつて求められ
るクロム当量が４〜12であることを特徴とする耐
熱鋼。クロム当量＝−40×Ｃ（％）−30×Ｎ（％）−２×
Mn（％）−４×Ni（％）＋Cr（％）＋６×Si（％）＋４×Mo（％）＋1.5×Ｗ（％）＋11×Ｖ（
％）＋５×Nb（％）（但し、クロム当量は各元素の含有量として重
量％を用いて計算される。）〕