JPH07103447B2

JPH07103447B2 - 高純度耐熱鋼

Info

Publication number: JPH07103447B2
Application number: JP2182658A
Authority: JP
Inventors: 泰彦田中; 司東; 保美池田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1995-11-08
Anticipated expiration: 2010-11-08
Also published as: JPH0472039A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はガスタービン等に用いられる高温クリープ強さ
にすぐれ、特に経年使用に伴う靱性劣化の少ない高純度
耐熱鋼に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービンディスクには、CrMoV鋼や12Cr鋼が使用さ
れているが、ガス温度の高温化、圧縮比の向上などによ
る高効率化に伴って、より高強度のディスク材が必要と
なっている。使用温度が350℃程度のディスク素材とし
ては12Cr鋼で高温強度、靱性ともに充分であるのにたい
し、使用温度が450℃になると現用の12Cr鋼では、高温
での使用に伴って著しい靱性の劣化を生じディスクの信
頼性を損なうため、Ni基合金が使用されるが、Ni基合金
は熱間加工性、切削性、熱伝導性の点で、12Cr鋼に比べ
て著しく劣り、製造コストも数倍となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

使用温度が450℃前後となるガスタービンディスク素材
として、高強度12Cr系耐熱鋼は充分なクリープ強度特性
を有するが、使用中の靱性の経年劣化の問題から、現在
はこの温度域で使用されるタービンディスク素材として
使用されていない。

本発明の目的は、12Cr系耐熱鋼のかかる高温使用での靱
性劣化感受性を低減し、高温使用にともなう脆化の小さ
い、新規な高強度12Cr系耐熱鋼素材を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の問題を解決するために為されたもので、
タービンの使用温度での耐経年劣化特性に優れた新規な
高純度耐熱鋼であり、その具体的構成は、必須成分とし
て重量％でC:0.05〜0.15％,Ni:1.6〜3.5％,Cr:9.0〜13.
0％,Mo:1.0〜3.0％,V:0.1〜0.5％,N:0.02〜0.8％を含有
し、しかも不可避的不純物のうち、Siを0.1％以下と
し、Mnを0.10％未満とした高純度耐熱鋼である。さら
に、前記組成の耐熱鋼に選択成分として、Nb:0.01〜0.1
5％,Ta:0.01〜0.15％,W:0.3〜1.5％，の一種または二種
以上を含有する耐熱鋼である。そしてさらに前記組成の
耐熱鋼に含有するSiおよびMn以外の不可避的不純物のう
ち、P:0.005％以下,S:0.005％以下、As:0.008％以下,S
n:0.01％以下、Sbn:0.005％以下を許容含有量とする高
純度耐熱鋼である。

〔作用〕

本発明の高純度耐熱鋼の工業的な製造方法は、厳選され
た原材料を電気炉にて溶解精錬後、取鍋精錬炉にて再精
錬して不純物元素量を低減した後に造塊し、鍛造により
エレクトロスラグ再溶解用の電極を製造したのち、エレ
クトロスラグ再溶解によって高純度かつ均質な鋼塊を製
造する。ついで、鋼塊は鍛造加熱温度に加熱され、所望
形状に鍛錬成形後、所定の熱処理を施すことによって強
度靱性を付与する。

本発明鋼の成分の限定理由を以下に示す。

C:0.05〜0.15％本発明鋼において、Ｃ含有量0.05％未満とすると所望の
引張強さおよび耐力を得ることができないのでその下限
を0.05％に限定した。また、Ｃ含有量が0.15％を越える
と、靱性が低下するばかりでなく、高温使用中に炭化物
の凝集、粗大化が著しくなり、クリープ破断強さが低下
するため、その上限を0.15％に限定した。

Ni:1.6〜3.5％ Niは強度、靱性を向上させ、また、有害なデルタフェラ
イトの生成を阻止する。しかし、Ni含有量が1.6％未満
では所望の強度、靱性が得られず、また、3.5％を超え
て含有させるとクリープ破断強度が低下するため上限を
3.5％とした。

Cr:9.0〜13.0％ Crは本発明鋼の主要構成成分であり鉄中に固溶して合金
の強度を向上させるとともに、耐酸化性および高温耐食
性をたかめるが、その含有量が9.0％未満では充分な強
度や耐酸化性を得ることができず、13.0％を超えて含有
させるとデルタフェライトを生成し、低温における延
性、靱性および高温におけるクリープ破断強さを低下さ
せるので、その含有量を9.0〜13.0％に限定した。

Mo:1.0〜3.0％ Moは合金中に固溶し、また微細な炭化物を析出して、低
温および高温における強度を向上させるとともに、焼戻
し脆化の抑制に寄与する元素である。その含有量が1.0
％未満ではその効果は小さく、所望のクリープ強度を得
るのに不充分であり、下限を1.0％に限定した。また、
3.0％を超えて含有させるとデルタフェライトを晶出
し、強度および靱性が低下するため、上限を3.0％とし
た。

V:0.1〜0.5％Ｖは炭化物を形成し、高温強度を高める作用があるが、
0.1％未満ではその効果が不十分であり、0.5％を超えて
含有させるとデルタフェライト組織を生成し、高温のク
リープ破断強さが低下するので、その含有量を0.1〜0.5
％に限定した。

N:0.02〜0.08％Ｎは、高温および低温における強度を向上させるととも
に、高温クリープ破断強さを向上させる元素である。そ
の含有量が0.02％以上になるとその作用が顕著に現れる
が、0.08％を超えて含有させると熱間加工性が低下し、
鋼塊の製造が困難になるので、その含有量を0.02〜0.08
％に限定した。

Nb:0.01〜0.15％ Nbは炭化物を形成し、高温強度を高めるとともに、素材
製造工程での高温加熱時における結晶粒の粗大化を抑制
し、靱性の向上に寄与するが、0.01％未満ではその効果
が不十分であり、0.15％を超えるとクリープ破断強さが
低下するため、その含有量を0.01〜0.15％の範囲に限定
した。

Ta:0.01〜0.15％ Taは、Nbと同様に炭化物を形成し、高温強度を高めると
ともに、素材製造工程での高温加熱時における結晶粒の
粗大化を抑制し、靱性の向上に寄与するが、0.01％未満
ではその効果は少なく、0.15％を超えるとクリープ破断
強さが低下するため、その含有量を0.01〜0.15％の範囲
に限定した。なおNbとの複合添加する場合にはNb＋Taの
含有量を0.15％以下とすることが望ましい。

W:0.3〜1.5％Ｗは固溶強化によりマトリクスを強化して、低温および
高温における強度を上昇させる元素であるが、0.3％未
満ではその作用効果がほとんど認められず、一方1.5％
を超えて含有させると靱性を低下させ、さらにデルタフ
ェライト組織を生成して低温および高温における強度を
低下させるので、その含有量を0.3〜1.5％に限定した。
不可避的不純物（Si:0.1％以下、Mn:0.1％未満、P:0.00
5％以下、S:0.005％以下、As:0.008％以下、Sn:0.01％
以下、Sb:0.005％以下） Siは通常、脱酸剤として鋼の精錬の際に添加されるが、
本発明鋼の使用温度域が含まれる350℃から550℃の温度
域で生じる焼戻し脆化への感受性を著しく高める作用が
あるため、極力低減することが望ましい。また、Siを低
減することにより鋼塊内部の偏析が軽微となり、肉厚内
部における延性および靱性の不近一性が改善される。現
在は、真空炭素脱酸等の精錬技術でSi脱酸によらずに鋼
中酸素レベルを低下させることが可能であるが、その限
界を考慮して、上限を0.1％とした。

Mnは溶解時の脱酸、脱硫剤として一般的には必要である
が、MnはＳと結合して非金属介在物を形成し、靱性を低
下させる作用がある。また、Siと同様に焼戻し脆化を促
進する元素である。さらに、Mnの添加は高温におけるク
リープ強度を低下させる。Mnは鋼中のＳ量に応じても添
加されるが、現在は炉外精錬等によりＳ量を低減するこ
とが容易であり、Mnを合金成分として添加する必要はな
くなっている。本発明鋼においては、12Cr鋼の精錬にお
けるMn低減の限界を考慮して、その上限を0.1％とし
た。

Ｐは焼戻し脆化感受性を増大させる元素であり、使用中
の脆化を避けるためには極力低減することが望ましく、
現状の精錬技術レベルを考慮して、その許容含有量を0.
005％以下に制限した。

Ｓは大型鋼塊にといては微量の含有でもＶ偏析あるいは
逆Ｖ偏析を発生せしめ、鋼の品質を劣化させるので、極
力低減することが望ましく、Ｐ同様に現状の精錬技術レ
ベルを考慮して、その許容限界量を0.005％以下に制限
した。

As,Sn,SbはＰ同様に焼戻し脆化感受性を増大させる元素
であり、極力低減することが望ましい。しかし、これら
の不純物元素は原材料に付随して不可避的に混入するも
のであり、精錬によって除去することは困難である。従
って、原材料の厳選によるところが大きく、焼戻し脆化
感受性低減の見地からAs0.008％以下、Sn0.01％以下、S
b0.005％以下に限定した。

〔実施例〕

第１表に示す組成の本発明鋼と従来鋼を真空溶解炉にて
溶解し、50Kg鋼塊を溶製し、ついで1150℃に加熱後鍛造
した。これらの鍛造材から試験片素材を切出し、高強度
ディスク素材の熱処理をシミュレートした熱処理、すな
わち1010℃に保持後シミュレーション熱処理炉で定速度
冷却の後、560℃で１回目の焼戻しを施し、さらに560℃
で２回目の焼戻しを施して引張強度を110〜115Kgf/mm²
として供試材とした。これら供試材の引張試験結果、48
0℃におけるクリープ破断試験結果および3000時間の等
温加熱脆化試験結果を第２表に示した。本発明鋼は従来
鋼と比較して、クリープ破断時間は長く、また、使用温
度での等温長時間加熱によるシャルピー上部棚エネルギ
ーの低下および遷移温度のシフト量が著しく少ないこと
を示すものである。

〔発明の効果〕本発明鋼は高温クリープ強さにすぐれ、特に経年使用に
伴う靱性劣化の少ない高純度耐熱鋼として、かかる特性
が要求されるガスタービン等のディスク材として従来鋼
にまさる寿命と信頼性を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−171856（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−218602（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−83449（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−41750（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でC:0.05〜0.15％,Ni:1.6〜3.5％,C
r:9.0〜13.0％,Mo:1.0〜3.0％,V:0.1〜0.5％,N:0.02〜
0.08％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からな
り、該不可避的不純物のうち、重量％でSiを0.1％以下
とし、Mnを0.10％未満とした高純度耐熱鋼。
【請求項２】請求項１の組成に、さらに重量％でNb:0.0
1〜0.15％,Ta:0.01〜0.15％,W:0.3〜1.5％の一種または
二種以上を含有している高純度耐熱鋼。
【請求項３】前記不可避的不純物のうち、重量％でP:0.
005％以下、S:0.005％以下を許容含有量とする請求項１
または２記載の高純度耐熱鋼。
【請求項４】前記不可避的不純物のうち、重量％でAs:
0.08％以下,Sn:0.01％以下,Sb:0.005％以下を許容含有
量とする請求項１、２または３記載の高純度耐熱鋼。