JPH07103447B2 - 高純度耐熱鋼 - Google Patents

高純度耐熱鋼

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JPH07103447B2
JPH07103447B2 JP2182658A JP18265890A JPH07103447B2 JP H07103447 B2 JPH07103447 B2 JP H07103447B2 JP 2182658 A JP2182658 A JP 2182658A JP 18265890 A JP18265890 A JP 18265890A JP H07103447 B2 JPH07103447 B2 JP H07103447B2
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Japan
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less
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steel
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toughness
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JP2182658A
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泰彦 田中
司 東
保美 池田
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Japan Steel Works Ltd
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Japan Steel Works Ltd
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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 (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
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