JPH0481293A

JPH0481293A - １２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフトとその製造方法

Info

Publication number: JPH0481293A
Application number: JP19445590A
Authority: JP
Inventors: Eiji Takahashi; 英司高橋; Yasuo Murai; 康生村井; Kazuo Kayama; 香山　和男
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1992-03-13
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPH0647186B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明はジャーナル部に肉盛溶接が施されたタイプの１
２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフトとその製造法
に関するものである。（従来の技術）火力発電機に使用される蒸気タービンロータシャフトは
、近年、発電効率向上を図るために高い蒸気温度のもと
で使用される傾向がある。これに伴い、使用温度に耐え
る材料としてクリープ強度の高い、いわゆる１２％Ｃｒ
鋼がしばしば適用されている。しかしながら、１２％Ｃｒ鋼製のタービンロータシャフ
トは、使用中にジャーナル部が焼付きを起こし易く、こ
れを防止するためにジャーナル部に低合金鋼のスリーブ
を焼ばめしたタイプのタービンロータシャフトが実用化
されている。しかし、このタイプのタービンロータシャ
フトは使用中、焼ばめ部が緩み、ガタッキが生じるとい
う問題があった。（発明が解決しようとする課題）このような背景から、最近、ジャーナル部に低合金鋼を
肉盛溶接する技術が検討され、一部実用化も試みられて
いる。例えば、ジャーナル部に肉盛溶接を施すタービンロータ
シャフトに関し、特開昭５５−１６７４４号、特開昭５
６−１９９７６号、特開昭５７−１３７４５６号などが
提案されているが、それぞれ次のような理由により充分
満足な肉盛溶接部が得られていない。５５−１６７４４′″′：２層目以降の肉盛溶接棒として、Ｃ：０．１〜０゜３％
、Ｓｉ：０．３％以下、Ｍｎ：１．５−２．０％、Ｃｒ
：０．０５〜０．１％、ｐ：ｏ、ｏ３％以下、Ｓ：０．
０３％以下の成分のものが挙げられている。しかしながら、Ｃ含有量が０．３％の溶接棒では溶接金
属の高温割れを防止することは困難である。一方、Ｃ含有量が０．１％の溶接棒では溶接金属の強度
が不足する。勿論、１２％Ｃｒ鋼母材の稀釈が比較的多
く、肉盛下層では母材からＣｒが溶接金属に補給される
ことも考えられるが、ジャーナル部における肉盛部は通
常１０ｍｍ以上と比較的厚い肉盛厚さが要求されるため
、肉盛土層では母材からの成分稀釈は期待されないこと
から、前述の強度不足が生じることは避けられない。したがって、このような成分組成の溶接棒では強度不足
や溶接金属の高温割れが生じ、満足な肉盛溶接部が得ら
れない。特　　　５６−１９９７６　　：溶接肉盛材における低合金鋼の成分組成については、高
温割れが発生しにくい組成となっているものの、Ｃ含有
量が低いことから溶接金属の強度が不足する。炭素鋼に
ついても同様であり、厚い肉盛厚さを要求された場合は
特に問題になる。また、肉盛部のＣｒ量を５％以内を目
標としているが、焼付きの面からは過剰であり、より低
いレベルに抑えないと問題となる。５７−１３７４５６　　：Ｃ：０．０５〜０．３５％、Ｓｊ：０．１０〜１．００
％、Ｍｎ：０．１０〜１．００％、Ｃｒ：０．３０〜２
．８０％、Ｍｏ：０．１０〜２．００％、Ｖ：Ｏ，Ｏ５
〜０．３５％、Ｎｉ：０．５０〜４．００％、残部鉄か
らなる肉盛合金を軸受部に溶接肉盛する方法が示されて
いるが、まず、Ｃ含有量の範囲が広く、０．０５％では
実際には強度不足が生じ、一方、０．３５％では溶接金
属の高温割れは避けられない。また、Ｃｒ含有量につい
ても、０．３０％では強度が不足し、２．８０％と高い
と、充分な軸受特性が発揮されない。更にＶが添加され
ているが、例えば、この提案の溶接金属成分範囲内であ
るＣ：０．２５％、Ｃｒ：　１　、２％、Ｍｏ：１．５
％、■＝０゜３％といった成分組成を想定した場合、高
温割れもさることながら、ＳＲ割れ感受性が極めて高い
成分系であることから、健全な肉盛溶接部を得ることが
難しくなる。このように、従来法でジャーナル部に肉盛溶接を施した
タービンロータシャフト或いは肉盛溶接金属は、溶接部
の高温割れ防止、強度の確保、軸受特性の確保、更には
ＳＲ割れ防止の面で充分検討されたものとは言えず、健
全でかつ高品質のタービンロータシャフトにおいて、１
〜の製造技術について更なる改善が求められているのが
実情である。本発明は、か＼る要請に応えるべくなされたものであっ
て、低温割れ、高温割れ、ＳＲ割れ、ブローホール等の
欠陥がなく、ジャーナル部として充分な強度と軸受特性
を備えた１２％Ｃｒ鋼製タービンロータシャフトを提供
することを目的とし、またその製造法を提供することを
目的とするものである。（課題を解決するための手段）本発明者等は、前記課題を解決するためには、１２％Ｃ
ｒ鋼はタービンロータシャフト素材としては優九た機械
的性能を有しているが、ジャーナル部に肉盛溶接を施す
場合、低温割れ感受性が高いことから、まず、細心の注
意を払って低温割れ（遅九割れ）を防止するための溶接
施工を行う必要があること、その上で、溶接金属の高温
割れ、ＳＲ割れが発生せず、且つジャーナル部として充
分な強度及び軸受特性を有する肉盛溶接部を形成する必
要があることに鑑みて、種々の溶接材料を試作した上で
溶接施工試験並びに性能調査を推進した結果、ここに本
発明をなしたものである。すなわち、本発明は、ジャーナル部外周面が肉盛溶接金
属により形成されており、該肉盛金属表層部がＣ：０．１１〜０．１７％Ｓｉ：０．２〜０．６％Ｍｎ：１．０〜２．５％Ｐ：０．０３％以下Ｓ：０．０１５％以下Ｃｒ：１．１〜１．６％Ｍｏ：０．１〜０．５％Ｖ：０．０４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅからなる成分組成を有す
ることを特徴とする１２％Ｃｒ鋼製蒸気夕一ビンロータ
シャフトを要旨とするものである。また、その製造方法は、１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロ
ータシャフトのジャーナル部を肉盛溶接するに際し、焼
結型フラックスと、Ｃ：Ｑ、Ｑ３〜０．１２％Ｓｉ：０．２〜０．６％Ｍｎ：１．０〜２．０％Ｃｒ：　０　、２％以下Ｍｏ：Ｑ、］、−Ｑ、５％残部二Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分を有する溶接ワイヤとを組合せて、少
なくとも１層をサブマージアーク溶接法で下盛溶接し、
引続き、焼結型フラックスと溶接ワイヤとを組合せたサ
ブマージアーク溶接により、２Ｎ以」二をと盛溶接して
、上記化学成分を有する肉盛溶接金属を得ることを特徴
するものである。以下に本発明を更に詳述する。（作用）ジャーナル部における肉盛表層部に要求される特性とし
ては、強度及び軸受特性があるが、強度はＳＲ処理後の
溶接金属の硬さによって判断でき、本発明が対象として
いるタービンロータシャフトでは、ビッカース硬さ（Ｈ
ｖ）で２００〜２６０の範囲が適正硬さである。軸受特性における耐焼付き性には、材料のＣｒ含有量が
主として影響し、Ｃｒ含有量が低い方が有利である。従
来のタービンロータシャフトにおいてジャーナル部の焼
付き事故が発生していないのは、実績として低合金鋼の
Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼であり、３％或いは４％Ｃｒ含有鋼で
の運転実績はない状況である。したがって、上述の強度
が確保されることを前提とすれば、Ｃｒ含有量は従来の
低合金鋼製タービンロータシャフトのレベル、すなわち
、１．６％以下に抑える必要がある。更に、肉盛溶接部においては、融合不良、ブローホール
、低温割れ、高温割れといった溶接欠陥が存在してはな
らず、特に高温割れについては、溶接ビードに沿って円
周上に連続して発生することから、著しく強度特性を劣
化させるため、特に注意を必要とする。以上のような必要特性を満足し得る方策を知見するに至
った基礎実験結果について、以下に説明する。まず、溶接欠陥のうち、特に問題となる高温割れに関し
、溶接金属の高温割れ（凝固割れ）にはＣ１Ｓ、Ｐが主
として影響すると云われている。そこで、本発明者等は
、ｃ、ｓ、ｐの含有量を様々に変化させた溶接材料を試
作し、サブマージアーク溶接を行い、溶接金属の高温割
れと成分組成の関係を調べた。第１表に試作溶接材料で得られた溶接金属化学成分を示
す。なお、溶接試験板はＡ３８７Ｇｒ１１（１，２５Ｃ
ｒ−０，５Ｍｏ鋼）の板厚５０＋ｎｍ鋼板にＶ形の溝開
先を施したものを用いた。溶接条件は第２表に示すとお
りである。第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ溶接金属のＣ，Ｓ含有
量と割れの関係、並びに溶接金属のＣ，Ｐ含有量と割れ
の関係を示したものである。同図に示すように、高温割
れはＣ含有量によりほぼ一義的に影響され、Ｃ含有量が
０．１８％以上では割れが発生することがわかる。また
、Ｃ含有量が０．１７％ではＳ又はＰが高い場合にのみ
、割れが発生する傾向がみられる。この結果から、溶接金属のＣ含有量は０．１７％以下と
する必要があり、Ｓ含有量は０．０１５％以下とし、Ｐ
含有量は０．０３％以下に抑えることが望ましいことが
判明した。次に、溶接金属の性能について、種々の溶接材料を試作
して調査した結果について述べる。試験方法は、Ａ３８７Ｇｒ１１．鋼板にそれぞれの試作
溶接材料で５層肉盛溶接（母材成分の稀釈率は３％以下
）した上で、表層部から第２図に示すＳＲ割れ試験片を
採取すると共に、６５０℃×１５ｈｒのＳＲ処理を施し
、表層部から衝撃試験片及び硬さ測定用の試験片を採取
した。ＳＲ割れ試験は試験片のスリット部を圧着し、反
対側に位置する切欠底部に応力を負荷した状態で、ＴＩ
Ｇ溶接で固定し、この試験片に６５０℃Ｘ２ｈｒのＳＲ
処理を施した後、切欠底部におけるＳＲ割れの有無を調
べる方法を適用した。また、衝撃試験は、２ｍｍＶノツチのシャルピー試験試
験片を用いる試験法により行い、設計上の仕様及び安全
率をみて、常温での吸収エネルギーが４ｋｇｆ−ｍ以上
有するものを合格とした。溶接金属の硬さはＨｖ＝２０
０〜２６０の範囲を合格とした。第３表に各試作溶接材料で得られた溶接金属の化学成分
と各種性能試験の判定結果を示す。その結果、溶接金属のＣ含有量が０．１０％以下では硬
さが不足となる。Ｓｉは０．２％以下では硬さが不足し
、０．６％を超えると靭性が劣化する。Ｍｎは１．０％
未満では硬さが不足し、２．５％を超えると硬さが高く
なりすぎると共に靭性が不合格となる。Ｃｒは１．０％
以下では硬さが不足した。Ｍｏは焼戻し軟化抵抗を高め
るのに効果があり、この効果は０．１％以上の添加量で
発揮されるが、０．５％を超えると僅かのＶの共存によ
りＳＲ割れ感受性が増大し、ＳＲ割れが発生した。 ■は前述のようにＳＲ割れ感受性を著しく高めるため、
０．０４％以下に抑えるのが好ましい。これらの結果並びに前述の高温割れ、軸受特性との関連
から、ジャーナル部の肉盛表層部における最適な化学成
分は以下の組成であることが明らかとなった。Ｃ：０．１１〜０．１７％Ｓｉ：０．２〜０．６％Ｍｎ：１．０〜２．５％Ｐ：０．０３％以下Ｓ：０．０１５％以下Ｃｒ：１．１〜１．６％Ｍｏ：０．１〜０．５％ ■＝０．０４％以下残部二Ｆｅ及び不純物次に、本発明者等は、実際のタービンロータシャフトの
ジャーナル部を肉盛溶接する場合の適切な施工条件につ
いて検討した。１２％Ｃｒ鋼製ロータ材は極めて焼入性が嵩＜、且つ高
Ｃｒ材であるので水素の拡散速度が低いため、溶接によ
る低温割れが発生し易い。低温割れは一般に溶接時の予
熱温度を高めることが有効と云われているが、１２％Ｃ
ｒ鋼についてＪＩＳＺ３１５７の斜めＹ形溶接割れ試験
を行った場合、４００°Ｃという高温の予熱によっても
割れ発生を完全に防止することができない。したがって
、しかるべき温度で予熱し、溶接後、直後熱を施し、水
素の逸散を促す必要がある。実際の溶接作業においては、予熱及び直後熱或いは直後
保持温度が低い方が作業が容易となり、３００℃を超え
るような予熱でタービンロータシャフトにおいて、１〜
の肉盛溶接を行うことはかなり難しくなる。第３図は、１２％Ｃｒ鋼のＪＩＳＺ３１５７の斜めＹ形
溶接割れ試験片について焼結型フラックス（ボンドフラ
ックス）又は溶融型フラックスを用いてサブマージアー
ク溶接したときの断面割れ率を比較した結果を示したも
のである。なお、溶接ワイヤは市販の軟鋼ワイヤを用い
た。第３図に示すように、直後熱を２００°（：Ｘ２ｈｒと
一定とした場合、溶融型フラックスでの割れ防止予熱温
度は３００’Ｃであるのに対し、焼結型フラックスでは
２００℃とかなり低くなっている。］５これは、溶融型フラックスは一般にフラックス中の水分
が焼結型フラックスに比べて高く、溶接金属中の拡散性
水素量が高くなったため、割れ防止予熱温度が高くなっ
たものである。このように、焼結型フラックスを用いることは、溶接作
業時の予熱温度を下げるのに有効であることがわかる。１２％Ｃｒ鋼のジャーナル部をサブマージアーク溶接す
る場合、溶込みによる母材稀釈率が３０〜４０％程度に
なるため、１層のみの肉感では、Ｃｒ含有量を１．６％
以下にすることが難しく、少なくとも２層以上の肉盛層
数を必要とする。但し、軟鋼の溶接材料を用いて３Ｍ以
上溶接した場合の最表層は、Ｃｒ含有量が過少となるた
め、溶接金属の硬さが不足する。一方、ジャーナル部における肉盛厚さは、熱伝導性等を
考慮すると１Ｏｎ＋ｍ以上にすることが設計的に好まし
く、且つ、少なくともジャーナル部表面から深さ方向４
〜５ｍｍまでは、所定の低Ｃｒ含有量からなる溶接金属
で占められている必要がある。このような要件を前提として、施工方法を検討した結果
、以下に示す施工方法により、種々の肉盛厚さに対し、
安定して優れた肉盛溶接部が得られることを見い出した
。すなわち、まず、焼結型フラックスと、Ｃ：０゜０３−
０．１．２％、Ｓｉ：０．２−０．６％、Ｍｎ：１．。０〜２．０％、Ｃｒ：　０　、２％以下、Ｍｏ：０．１
〜０゜５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる溶
接ワイヤとを組合せて、少なくとも１層をサブマージア
ーク溶接法で下盛溶接すること、引続き、焼結型フラッ
クスと溶接ワイヤとを組合せて２層目以降をサブマージ
アーク溶接して上盛溶接して、表層部が前述の適切な化
学成分を有する肉盛溶接部を得ることからなる施工方法
である。下盛溶接部としては、引続き肉盛される上盛溶接部と比
べて硬さは高いか、同程度であることが望ましい。これ
は、下盛溶接部の硬さが上盛溶接部より低いと、運転中
に発生する剪断応力により肉盛部が剥離する危険性があ
るからである。」１記下盛用ワイヤの化学成分は、母材、すなわち１２
％Ｃｒ鋼からの成分稀釈を考慮した」二で適切な硬さが
得られる成分範囲である。具体的には、Ｃｒは、下盛溶接に引続き実施される上盛
溶接において、より少ない暦数で所定のＣｒ含有量とす
るため、０．２％以下とした。Ｍｏは下盛溶接部の焼もどし抵抗を増加し、上盛溶接部
より高い硬さを確保するために、０．１〜Ｑ、５％の範
囲とした。Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎ含有量の上限をそれぞれ０．１〜２％、
０．６％、２．０％としたのは、溶接金属の靭性及び溶
接作業性を考慮したためである。なお、フラックスとして焼結型フラックスを用いるのは
、前述の如く低温割れ防止のためである。引続き、焼結型フラックスと組合せてサブマージアーク
溶接方法で肉盛溶接した場合の表層部溶接金属が以下の
化学成分となる溶接ワイヤを用いて、２層以上、上盛溶
接する。Ｃ：０．１　］〜０．１７％Ｓｉ：０．２〜０．６％Ｍｎ：１．０〜２．５％Ｐ：０．０３％以下Ｓ：Ｑ、Ｑ　１５％Ｃｒ：１．１〜１．６％Ｍｏ：０．１〜０．５％Ｖ：０．０４％以下残部二Ｆｅ及び不純物なお、上記化学成分に限定する理由及び作用については
前述のとおりである。このような施工方法により肉盛溶接した溶接部は、３層
目（うち１層は下盛）の溶接金属でほぼ所望の化学成分
並びに硬さが得られる。ただ、前述のように、ジャーナ
ル部における肉盛厚さは１０ｍｍ以上とすることが多い
ため、１層当たりの肉厚を２．５〜３ｍｍ程度とするの
が適正といえるサブマージアークによる肉盛溶接におい
て、３層では肉厚不足となる。したがって、仕上げ加工
代を考慮すると４層或いは５層が必要となる。また、ジ
ャーナル部における肉盛厚さが、例えば１４ｍｍ必要と
いった場合には、更に肉盛層数を増す必要が生じる。こ
のような場合でも、本発明によれば、４層目以降は均−
且つ適正な化学組成が得られるため、広い範囲の必要肉
盛厚さに対して安定した肉盛溶接部が得られる。なお、サブマージアーク溶接の他の溶接条件は特に制限
されないことは云うまでもない。また、母材の化学成分は、いわゆる１２％Ｃｒ鋼と称さ
れる鋼種であれば、その成分組成は以下なる範囲のもの
でも可能である。

【以下余白】

次に本発明の実施例を示す。なお、前述の基礎実験結果
の一部も実施例足り得ることは云うまでもない。（実施例）第４表に示す化学成分を有する１２％Ｃｒ鋼の軸材（５
００φＸ１００ＯΩ）を用いて、タービンロータシャフ
トのジャーナル部の模擬溶接試験を行った。溶接方法は
サブマージアーク溶接とし、第５表に示す化学成分を有
する溶接ワイヤ（３，２■φ）を用いて下盛溶接を１層
行った後、第６表に示す化学成分を有する溶接ワイヤを
用いて第７表の条件で上盛溶接にて６層溶接した。下盛
及び上盛ともそれぞれ焼結型ブランクスを用いて溶接し
た。予熱温度は２００℃である。このような施工方法で肉盛溶接した後、肉盛軸材に６５
０℃Ｘ１５ｈｒのＳＲ処理を施し、肉盛溶接部の欠陥調
査、化学組成調査、硬さ分布測定を行った。化学組成調査は肉盛各層毎に切粉を採取し分析すること
で行った。肉盛部の欠陥調査は、肉盛量＝２２− 綿層面を平滑に機械加工仕上げした上で、超音波探傷、
カラーチエツク、磁粉探傷を行った。肉盛部の欠陥調査の結果、機械加工後の表面については
、カラーチエツク、磁粉探傷共にインジケーションが認
められなかった。肉盛内部について超音波探傷を行った
ところ、何ら欠陥エコーは検出されず、健全な肉盛部で
あることが確認された。第８表に肉盛各層の化学成分の分析結果を示すように、
３層目の溶接金属でほぼ所望の化学成分となり、４層目
以降は安定して適正な化学成分となっていることがわか
る。第４図は肉盛溶接部における半径方向の硬さ分布測定結
果を示したものである。図に示すように、母材熱影響部
の硬さが最も高く、肉盛厚さが増すにつれて漸減するが
、５ｍｍ以上の肉盛厚さではほぼ一定の硬さとなってい
る。これらのことから、仮にジャーナル部の所要肉盛厚さが
１０ｍｍとした場合、表面及び表面から深さ５ｍｍ程度
までは適正な硬さ並びに化学組成が得られることがわか
る。所要肉盛厚さが更に大きくなった場合も何ら支障は
なく、表面からの適正肉盛域が増すのみである。

【以下余白】（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、低温割れ、高温
割れ、ＳＲ割れ及びブローホール等の欠陥がなく、しか
もジャーナル部として充分な強度と優れた軸受特性を備
えた１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフトを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は溶接金属のＣ，Ｓ含有量と割れの
関係、並びに溶接金属のＣ，Ｐ含有量と割れの関係を示
す図、第２図はＳＲ割れ試験片を示す図で、（ａ）は断面図、
（ｂ）は平面図、（ｃ）はノツチの拡大図であり、第３
図は１２％Ｃｒ鋼について焼結型フラックス（ボンドフ
ラックス）又は溶融型フラックスを用いてサブマージア
ーク溶接したときの断面割れ率と予熱温度の関係を比較
して示す図、第４図は実施例で得られた肉盛溶接部における半径方向
の硬さ分布測定結果を示す図である。特許出願人　　株式会社神戸製鋼所代理人弁理士　中　　村　　　尚０％）″４−！′畢Ｓ（’／、）’４−吹季ま

Claims

【特許請求の範囲】

（１）１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフトにお
いて、ジャーナル部外周面が肉盛溶接金属により形成さ
れており、該肉盛金属表層部が、重量％で（以下、同じ
）Ｃ：０．１１〜０．１７％Ｓｉ：０．２〜０．６％Ｍｎ：１．０〜２．５％Ｐ：０．０３％以下Ｓ：０．０１５％以下Ｃｒ：１．１〜１．６％Ｍｏ：０．１〜０．５％Ｖ：０．０４％以下を含有し、残部が実質的にＦｅからなる化学成分を有す
ることを特徴とする１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータ
シャフト。
（２）ジャーナル外周面が焼結型フラックスと溶接ワイ
ヤとを組合せたサブマージアーク溶接にて３層以上肉盛
溶接され、最表層部が前記化学成分を有している請求項
１に記載の１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフト
。
（３）低温の予熱によって低温割れ防止が図られたジャ
ーナル部である請求項１又は２に記載の１２％Ｃｒ鋼製
蒸気タービンロータシャフト。
（４）１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロータシャフトのジ
ャーナル部を肉盛溶接するに際し、焼結型フラックスと
、Ｃ：０．０３〜０．１２％Ｓｉ：０．２〜０．６％Ｍｎ：１．０〜２．０％Ｃｒ：０．２％以下Ｍｏ：０．１〜０．５％残部：Ｆｅ及び不可避的不純物からなる化学成分を有する溶接ワイヤとを組合せて、少
なくとも１層をサブマージアーク溶接法で下盛溶接し、
引続き、焼結型フラックスと溶接ワイヤとを組合せたサ
ブマージアーク溶接により、２層以上を上盛溶接して、
表層部が請求項１に記載の化学成分を有する肉盛溶接金
属を得ることを特徴する１２％Ｃｒ鋼製蒸気タービンロ
ータシャフトの製造方法。