JPH0333765B2

JPH0333765B2 -

Info

Publication number: JPH0333765B2
Application number: JP62157936A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kawai; Kanji Kawaguchi; Osamu Watanabe; Yoshio Nakayama
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1991-05-20
Also published as: JPS63121622A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はタービンロータの製造方法に係り、特
に高温で優れたクリープ強さを有するとともに、
低温においても優れた靭性を有するタービンロー
タの製造方法に関する。

（従来の技術）近年、上記タービンは大容量化による熱効率の
向上および単位出力当たりの建設費の低減を目的
として、年々大形化し、また電力需要に応じて出
力増減や起動停止という機能が要求される中間負
荷的運用もなされている。このタービンの大容量
化などに伴ないタービンの使用温度は上昇し、現
在蒸気タービンの最高蒸気温度は556℃となり、
また軸受けスパンの長い複流型中圧ロータや高中
圧一体型ロータの採用に伴ない高温で優れたクリ
ープ強さを有する耐熱鋼の開発が一層要求されて
きている。また前述したようにタービンの大容量
化に伴ない一方ではロータ径が増加するとともに
ロータに埋め込まれる動翼が長大化するのに加え
てタービン起動停止の頻繁化により起動時にター
ビンロータ中心部での低温の靭性も優れたものが
要求されている。

ところで従来の蒸気タービン用の耐熱鋼として
は一般に１％Cr−１％Mo−0.25％Ｖ鋼と称せら
れる材料や、12％Cr系鋼で構成されている。添
付図は中圧タービンの構成例を示す一部切欠断面
図であるが、蒸気入口１の蒸気温度は566℃と高
温化しており、かつcr−Mo−Ｖ鋼或いは12％Cr
系鋼で構成されている従来のロータを使用した場
合には、ロータ軸受けスパン３から４の間隔が長
大化しているため、動作時には高温強度の不足か
らロータ曲がりが発生する。このためロータ表層
５を冷却しているのが現状であるがこれはタービ
ン性能の低下およびタービンを複雑化している。
また高中圧一体型タービンにおいてもロータ軸受
けスパンが長くなるため高温強度のよりすぐれた
ータが必要とされる。

さらに中間負荷的運用による起動停止の頻繁化
はタービンの起動時にロータ中心部６にかかる応
力を過酷化しつつあり、このために低温靭性にも
すぐれ、脆性破壊に対しより安全なロータが必要
である。

なお添付図において、２は蒸気出口、７は動
翼、８は静翼、９はケーシングをそれぞれ示す。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来ロータでは高温のクリープ強さ
および低温での靭性が不十分で蒸気タービンの大
容量化および中間負荷的運用には対処し得ない欠
点を有している。

本発明は上述の問題点を考慮してなされたもの
であり、高温で優れたクループ強さを有するとと
もに低温での靭性が優れたタービンロータを得る
ことのできる製造方法を提供することを目的とす
る。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段および作用）本発明は、原料合金を溶解後真空カーボン脱酸
を行ない、鋳造・鍛造の後、加熱によりオーステ
ナイト組織に変態させ、その後急冷によりマルテ
ンサイト組織に変態させ、次いで焼戻しを行なう
ことにより、化学組成が重量パーセントでクロム
10％以上11％未満、マンガン0.3〜1.0％、モリブ
デン0.5〜2.0％、シリコン0.2％以下、ニツケル
0.1〜1.5％、ニオブ0.01〜0.5％、バナジウム0.1〜
0.5％、タングステン0.5〜2.0％、炭素0.05〜0.3
％、窒素0.01〜0.1％、残部鉄および付随的不純
物よりなり、実質的に焼戻しマンテンサイト組織
である鉄基合金で構成されるタービンロータを得
ることを特徴とするタービンロータの製造方法で
ある。

上述の製造方法で得た特定の組成・組織の鉄基
合金で構成されるタービンロータは、高温での優
れたクリープ強さと、低温での優れた靭性を有す
るものとなる。

なお、本発明にかかる鉄基合金の化学組成は次
式クロム当量＝−40×Ｃ％−30×Ｎ％−２×Mn％−４×Ni
％＋Cr％＋４×Mo％＋６×Si％＋11 ×Ｖ％＋５×Nb％＋1.5×Ｗ％においてクロム当量を11以下とすることが望まし
い。その理由としては本発明にかかる蒸気タービ
ンロータのごとき大型鋼塊においてはクロム当量
が11を越えると局部的な合金成分のばらつきから
フエライト組織が生成し、クリープ強さの低下を
きたす傾向が認められるからである。

本発明の製造方法を詳細に説明する。

まず所要量の元素を配合し溶解後、真空カーボ
ン脱酸を行なつた後鋳造し、次いで例えば1100〜
1300℃に加熱後さらに鍛造しロータの所定の形状
にしてから、例えば1000〜1150℃の温度で完全に
オーステナイト組織に変態するのに十分な時間熱
処理を行なう。かくして合金組織を完全にオース
テナイト組織に変態させた後、油中或いは水噴霧
等で100℃程度まで急冷する。この急冷により合
金γ−α′変態により実質的に均一なマルテンサイ
ト組織となる。しかるのち、このまま100℃付近
に数十時間維持し均質化する。

さらに、例えば500〜700℃で数時間から数十時
間維持して焼戻しを行なうと合金組織は最終的に
焼戻しマルテンサイト組織となり、高温での優れ
たクリープ強さと低温での優れた靭性を有するタ
ービンロータを得ることができる。

ここで本発明にかかる鉄基合金の組成の限定理
由を説明する。

(1) クロム10％以上11％未満；クロムは鉄中に固
溶し合金の強度を向上させるとともに耐酸化
性、耐食性を向上させるのに必要な元素で、10
％未満では十分な強度や耐酸化性、耐食性を得
ることはできず、また11％以上では好ましくな
いフエライト組織を生成し高温のクリープ強さ
を低下させる。

(2) マンガン0.3〜1.0％；マンガンは溶解時の脱
酸、脱硫剤として必要な元素であり、また合金
のオーステナイト相の範囲を拡げる元素で、少
なくとも0.3％は必要であり、1.0％を越えると
高温のクリープ強さを低下させる。さらに実用
上は0.4〜0.7％とすることが好ましい。

(3) モリブデン0.5〜2.0％；モリブデンは合金中
に固溶体強化により低温および高温での強さを
向上させるとともに焼戻し脆性を防ぐのに必要
な元素で0.5％未満ではその効果が少なく、ま
た2.0％を越えると好ましくないフエライト相
を生じ低温および高温強度を低下させる。さら
に実用上は0.8〜1.5％とすることが好ましい。

(4) シリコン0.2％以下；シリコンはマンガンと
同様に溶解時の脱酸剤として必要な元素である
が多量の含有は低温での靭性を害するためなる
べく少ないほうが望ましく0.2％までとする。

0.2％以下という少量のSi含有によりタービ
ンロータのごとき大型鍛造品での偏析が防止さ
れ、均質で靭性に優れたタービンロータを得る
ことができる。

(5) ニツケル0.1〜1.5％；ニツケルは本発明にか
かる鉄基合金を高温でオーステナイト化組織と
するのに必要な元素で、ニツケルが存在しない
場合は好ましくないフエライト相が生成し易く
なるので、これを防止するためには少なくとも
0.1％は必要であり、1.5％を越えると高温での
強さが低下する。さらに実用上は0.4〜1.2％と
することが好ましい。

(6) ニオブ0.01〜0.5％；ニオブは合金中の炭素
および窒素と化合してNb（CN）を生成し合金
の素地中に微細に析出分散し高温のクリープ強
さを向上させるとともに、鋳造時および熱処理
時の結晶粒の粗大化を防止し低温での靭性を向
上させるのに必要な元素で、少なくとも0.01％
は必要である。しかし一方ではフエライト相の
生成を促進させ高温のクリープ強さを低下させ
るとともに過量の炭窒化物を生成して靭性の低
下をきたすので0.5％までとした。さらに実用
上は0.04〜0.1％とすることが好ましい。

(7) バナジウム0.1〜0.5％；バナジウムは高温の
クリープ強さを向上させるために必要な元素で
0.1％未満ではその効果が十分ではなく、また
0.5％を越えるとフエライトが生成して高温の
クリープ強さが低下する。さらに実用上は0.18
〜0.25％とすることが好ましい。

(8) タングステン0.5〜2.0％；タングステンはモ
リブデンと同様に固溶体強化により低温および
高温での強度を向上させる元素で0.5％未満で
はその効果が顕著ではなく、また2.0％を越え
ると靭性を低下させるのでこの範囲とする。さ
らに実用上は0.7〜1.6％とすることが好まし
い。

(9) 炭素0.05〜0.3％；炭素は高温で鉄中に固溶
してオーステナイト組織を作り、急冷によりγ
−α′変態を起こさせ低温および高温での強さを
向上させるとともにニオブやクロムなどの元素
と炭化物を形成して高温のクリーブつよさを向
上させるのに必要なもので、0.05％未満ではそ
の効果が小さく、また0.3％を越えると低温で
の靭性が低下する。さらに実用上は0.11〜0.17
％とすることが好ましい。

(10) 窒素0.01〜0.1％；窒素はオーステナイト生
成元素で焼入時のオーステナイト相を安定にし
好ましくないフエライト相の生成を抑制すると
ともに、他の元素と化合して窒化物や炭窒化物
を形成して高温のクリープ強さを向上させるの
に必要な元素で、0.01％未満ではその効果が充
分でなく、また0.1％を越えると巣やミクロポ
アの発生を増加させるのでこの範囲とする。さ
らに実用上は0.04〜0.08％とすることが好まし
い。

実施例次に本発明について実施例をもつて詳細に説明
する。

高周波真空溶解炉を用いて表−１に示す化学組
成のロータモデル素体を溶解、鋳造した、なお真
空カーボン脱酸は鋳造前に実施した。

次に鋳造したロータ素体を1200℃に加熱し鋳造
しロータ形状化した後、各試験素材を切り出し調
質熱処理を施した。表−２に熱処理条件を示す。
なお表中のＡおよびＣはロータ材の表層部をシミ
ユレートしたものであり、またＢ、Ｄは同じく中
心部をシミユレートしたものである。

次にこれら準備した各合金試料から引張試験
片、衝撃試験片およびクリープ破断試験片を作製
し、それぞれ試験を行なつた。これらの試験結果
を表−３に示す。なお表−３の中に示した50％
FATTとは衝撃試験した後試験破面において延
性破面が50℃をしめる温度のことでこの温度が低
いほど靭性が優れており、蒸気タービンロータと
して好ましいと言える。

表−３より明らかなように、本発明のタービン
ロータは従来使用されている11Cr−1Mo−0.25V
ロータ（比較例２）および比較例３、４に比べク
リープ破断強さおよび靭性ははるかに優れ、特に
比較例１のものに比べても靭性ははるかに優れて
いる。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば高温のクリ
ープ強さに優れ、かつ低温での靭性にも優れたタ
ービンロータを得ることができ、工業上すこぶる
有効であるといえる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明を説明するための火力蒸気タービン
中圧部の構成例を示す一部切欠断面図である。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】１原料合金を溶解後真空カーボン脱酸を行な
い、鋳造・鍛造の後、加熱によりオーステナイト
組織に変態させ、その後急冷によりマルテンサイ
ト組織に変態させ、次いで焼戻しを行なうことに
より、化学組成が重量パーセントでクロム10％以
上11％未満、マンガン0.3〜1.0％、モリブデン0.5
〜2.0％、シリコン0.2％以下、ニツケル0.1〜1.5
％、ニオブ0.01〜0.5％、バナジウム0.1〜0.5％、
タングステン0.5〜2.0％、炭素0.05〜0.3％、窒素
0.01〜0.1％、残部鉄および付随的不純物よりな
り、実質的に焼戻しマルテンサイト組織である鉄
基合金で構成されるタービンロータを得ることを
特徴とするタービンロータの製造方法。２オーステナイト化の加熱温度は1000〜1150℃
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のタービンロータの製造方法。３焼戻しの温度は550〜700℃であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のタービンロー
タの製造方法。