JPH045744B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は靱性及び高温強度に優れた12Cr系合
金鋼に係り、特に高温高圧タービン用材料に好適
な12Cr系合金鋼に関する。 〔従来技術〕 現在の蒸気タービンは蒸気温度最大566℃、蒸
気圧力最大246atg−であり、ロータシヤフト材と
しては1Cr−1Mo−１／４Ｖ鋼（ASTM470− class8）及び11Cr−1Mo−Ｖ−Nb−Ｎ鋼（特開
昭56−116858）が用いられている。 しかし最近、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
温高圧（高効率）タービン用材料としては、前述
の現在タービンロータ材として用いられているも
のではクリープ破断強度が不足で、これよりも高
強度の材料が必要である。 一方、クリープ破断強度の点では、Ni基合金
及びCo基合金がすぐれているが、これら合金は
コストが高い上に、加工性（鍛造、切削）が悪い
欠点がある。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、高いクリープ破断強度を有
し、かつ靱性を損わない12Cr系合金鋼であつて、
特に蒸気温度600℃までの高効率タービン用材料
に好適な12Cr系合金鋼を提供することにある。 〔発明の概要〕 一般に靱性を高めるとクリープ破断強度を低め
るという相反する現象があるが、本発明者らは
12Cr系合金鋼に希土類元素および／又はカルシ
ウムを適正量添加し、実質的に全焼戻しマルテン
サイト組織とするとクリープ破断強度及び靱性を
同時に改善できることを見い出した。 本発明は、このような知見によつて得られたも
のであつて、0.3重量％以下の希土類元素及び
0.01重量％以下のカルシウムのいずれか１種以上
を含み、実質的に全焼戻しマルテンサイト組織か
らなる靱性及び高温強度に優れた12Cr系合金鋼
である。 本発明の12Cr系合金鋼は、重量比でCr：８〜
13％，Mo：0.75〜1.75％，Ｖ：0.05〜0.5％，
Nb：0.02〜0.15％，Ｎ：0.025〜0.1％，Ｃ：0.05
〜0.25％，Si：0.60％以下，Ni：1.5％以下，
Mn：1.5％以下，Ｗ：0.1〜0.5％を含み残部はFe
および不純物より成る合金鋼に希土類元素及び／
又はカルシウムを添加することにより、高効率蒸
気タービン用ロータ材として要求されるクリープ
破断強度と靱性の優れた耐熱鋼が得られる。 Ｃは高い引張強さを得るために0.05％以上必要
であるが、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0.02％以上で高温強度を高めるのに非常
に効果的な元素であるが、0.15％を越えると大型
鋼塊では粗大なNb炭化物が生じ、また、マトリ
ツクスのＣ濃度を低下させ、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。特に、0.04〜0.12％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％以下ではそ
の効果が充分でなく0.1％を越えると著しく靱性
を低下させる。特に0.03〜0.07％が好ましい。 Crは高温強度改善するが、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、
0.05％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、0.75％未満ではその効果
が少なく、1.75％を越えるとδフエライトを生成
し靱性及びクリープ破断強度を低下させる。特に
1.0〜1.5％が好ましい。 Niは靱性を高め、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0.2〜0.8％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％を超える多
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
である。またSiを低くすることにより、δフエラ
イト析出防止及び靱性改善効果があるので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。一方、Ｗは0.5％を越える
と著しく靱性を低めるので、靱性が要求される部
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。 上記のような12Cr系合金鋼に0.3重量％以下の
希土類元素と0.01重量％以下のカルシウムを添加
含有させると、靱性とクリープ破断強度が高めら
れる。希土類元素の含有量は増加すると靱性とク
リープ破断強度が向上するが、0.3重量％を超え
てもその効果が飽和するので経済性の点から0.3
重量％以下とする必要がある。カルシウムも希土
類元素と同様の効果があるが、カルシウムの添加
量が0.01重量％を超えてもその効果が飽和する。
更に本発明において、希土類元素とカルシウムの
複合添加によつても靱性とクリープ破断強度が向
上する。 本発明の12Cr系合金鋼は実質的に全焼戻しマ
ルテンサイト組織からなる。この合金は組成によ
つてδフエライトが形成されるので、実質的にδ
フエライトが形成されない組成としなければ、高
い靱性とクリープ破断強度が得られない。δフエ
ライト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＝−40×Ｃ％−30×Ｎ％−２×Mn
％ −４×Ni％＋Cr％＋６×Si％＋４×Mo％ ＋1.5×Ｗ％＋11×Ｖ％＋５×Nb％ 本発明の12Cr系合金鋼を蒸気タービンロータ
のような大型鋼塊（50〜100トン）とする場合に
おいては、成分偏析によりδフエライトが生成し
易いので、クロム当量を10.5以下が好ましい。ま
たクロム当量をあまり小さくするとクリープ破断
強度が低くなるので6.5以上が好ましい。特に７
〜10が好ましい。 従来の希土類元素添加鋼には、Cr当量が９以
上になると疲労強度と靱性を低下させる有害なδ
フエライトが析出してくるが、希土類元素を添加
した鋼には、Cr当量が９以上になつても全マル
テンサイト組織で、δフエライトが析出しないこ
とが確認された。しかし希土類元素を添加した鋼
でも、Cr当量が11以上になるとδフエライトが
析出する。 〔発明の実施例〕 第１表は代表的試料の化学組成を示す。表中、
試料No.４〜７にはミツシユメタル（La−Ceを主
成分とする希土類元素合金）を鋳造前に0.3％添
加した。試料No.５及びNo.６が本発明による実施例
である。試料No.８はCaを添加した実施例であり、
試料No.９はCaと希土類元素を複合添加した実施
例である。

【表】 第１表に示す組成の試料を鋳造後、その鋼塊を
1150℃に加熱し、鍛造して実験試料とした。試料
の熱処理は大型ロータの中心部の条件にシユミレ
ートして、1050℃加熱後100℃／ｈで冷却し、565
℃×20h炉冷、665℃×45h炉冷の２段焼もどしを
行なつた。No.７の試料には若干のδフエライトが
析出していたが、他の試料は実質的に全焼戻しマ
ルテンサイト組織を有していた。 熱処理後の試料から鍛造直角方向に引張試験片
クリープ破断試験片及び２mmＶノツチシヤルピー
衝撃試験片を採取し実験した。その結果を第２表
に示す。

〔発明の効果〕

本発明鋼の靱性及び593℃クリープ破断強度は
著しく高く、高効率タービンロータとして要求さ
れる機械的性質を十分満足し、1100。Ｆ（593℃）
までの高効率タービン用ロータとして好適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は20℃での衝撃試験における吸収エネル
ギーとCr当量との関係を示す線図、第２図は593
℃，10⁵ｈクリープ破断強度とCr当量との関係を
示す線図、第３図は吸収エネルギーと希土類元素
の添加量との関係を示す線図、第４図は吸収エネ
ルギーとカルシウムの添加量との関係を示す線図
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量比にて、Cr8〜13％，Mo0.75〜1.75％，
   V0.05〜0.5％，Nb0.02〜0.15％，N0.025〜0.1％，
   C0.05〜0.25％，Si0.60％以下，Ni1.5％以下，
   Mn1.5％以下，W0.1〜0.5％と、希土類元素0.3％
   以下及びカルシウム0.01％以下の１種以上の元素
   とを含有し、残部が実質的にFeであり、実質的
   に全焼戻しマルテンサイト組織を有することを特
   徴とする靱性及び高温強度に優れた12Cr系合金
   鋼。