JPH07197208A

JPH07197208A - 高温圧力容器用高強度高クロム鋳鋼

Info

Publication number: JPH07197208A
Application number: JP6000231A
Authority: JP
Inventors: Masatomo Kamata; 政智鎌田; Akiji Fujita; 明次藤田; Yusaku Takano; 勇作高野; Ikujiro Kitagawa; 幾次郎北川; Yasumune Tashiro; 康統田代; Yukio Mochizuki; 幸雄望月
Original assignee: Japan Casting and Forging Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Japan Casting and Forging Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-01-06
Filing date: 1994-01-06
Publication date: 1995-08-01

Abstract

(57)【要約】【目的】火力発電用蒸気タービンに適用される高温圧
力容器用高強度クロム鋳鋼に関し、従来材と同程度の延
性、靱性を有し、高温強度を高める。【構成】重量比で炭素０．０５〜０．１３％、シリコ
ン０．７％以下、マンガン１％以下、クロム９．５〜１
２％、ニッケル０．６％以下、バナジウム０．１〜０．
３％、ニオブ及びタンタル０．０１〜０．２％、窒素
０．０１〜０．１％、モリブデン０．５％以下、タング
ステン０．９〜３％、コバルト２．５％以下、他残部と
する鋳鋼とし、従来の高クロム鋳鋼の溶接性を保持する
と共に高温強度を高めた高温圧力容器用高強度高クロム
鋳鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火力発電用蒸気タービ
ンの車室や弁室のように高い信頼性が要求される個所に
使用される材料で、高温圧力容器用高強度高クロム鋳鋼
に関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸気タービンの車室や弁室は、高温の蒸
気にさらされ、高温で高圧力を受けるために、使用され
る材料にもクリープ破断強さおよび耐力で代表される高
温強さが要求される。また、これらの部品は構造が複雑
で肉厚であるために、起動時などに高温の蒸気が流入す
ると局部的に加熱された部分に圧縮の歪みが生じ、その
ため冷却時にその部分に大きな引張応力が残ることがあ
る。そしてこれらの部分は熱疲労による亀裂も発生しや
すく、このような亀裂あるいは欠陥の存在によって脆性
破壊的に大きな亀裂に進展することがある。これを防ぐ
ためには、材料の延性および靱性を高くする必要があ
る。加えて、これらの部品を鋳物によって製造する場合
には溶接による捕集が必要となり、また、その組立、工
作のためにも溶接が必要になる。従って溶接性の良いこ
とが必要不可欠であり、このような溶接性の確保のため
にも延性及び靱性を確保する必要がある。

【０００３】従来、このような高温、高圧力を受ける部
品を鋳物で製造する場合には、いわゆる１％Ｃｒ−０．
５％Ｍｏ鋳鋼、２．２５％Ｃｒ−１％Ｍｏ鋳鋼およびＣ
ｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼などの低合金系鋳鋼が使用されてい
た。しかし、これらの材料は高温強さが必ずしも十分で
はなく、また高温での耐酸化性にも問題があった。そこ
で高温強度および高温耐酸化性に優れた材料として、８
〜１５％程度のクロムを含むいわゆる１２クロム鋼が注
目されている。

【０００４】１２クロム鋼は、８〜１５％と、クロム含
有量が高いために、前述の低合金鋼に比べて耐酸化性が
良く、また比較的小型の圧延材や鍛鋼材としては優れた
高温強さをもつ材料として多く実用化されているので、
鋳造材としても優れた高温強さが期待されている。すで
に多くの１２クロム鋳鋼が開発されており、ＪＩＳ、Ａ
ＭＳ、ＡＳＴＭに規格されているものもある。しかしこ
れらの材料は、成分検討が必ずしも十分ではないために
蒸気タービンの車室や弁室のような大型鋳鍛造品を製造
した場合には、偏析によるδフェライトの生成や粗大炭
化物の析出あるいは焼入れ不足のために充分な延性およ
び靱性が得られない。また、延性や靱性が得られとして
も高温強さが得られず、そのために高温圧力容器材とし
ての実用は現状では困難であった。

【０００５】そこで、従来の１２クロム鋳鋼の実用化へ
の障害となっていた大型材にした場合の延性および靱性
の低下の問題を、新しい試験および知見に基づいて解決
し、かつクリープ破断強さも向上させた高温圧力容器用
１２クロム鋳鋼も提案されている〔特願昭５９−２１６
３２２号（特開昭６１−９６０６２号）〕。ただし最近
では、二酸化炭素による地球温暖化現象の防止等の環境
保護的な立場から、火力発電プラントの高効率化、具体
的には蒸気タービンの主蒸気の高温高圧化が積極的に進
められているため、このような材料でも不充分であり、
より高い温度で使用できる高温圧力容器用鋳鋼の開発が
望まれている。すなわち、このようなプラントの高温化
により上記の高温圧力容器用１２クロム鋳鋼の溶接性や
耐酸化性を保持しながら高温強度をさらに高めた材料が
必要になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように最近で
は、火力発電プラントの高効率化が進み、蒸気タービン
の主蒸気の高温、高圧化がなされてきているので、近年
提案されている高温圧力容器の１２クロム鋳鋼よりも更
に高温強度にすぐれた鋳鋼が必要となってきている。本
願発明は１２クロム系の鋳鋼に関して、すでに高温圧力
容器用として開発されているものと同等の溶接性や耐酸
化性を保持しながら、高温強度をさらに高めることを課
題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本願発明は鋭
意研究を重ねた結果、以下に示すような重量比で、高温
材としての衝撃特性を満足し、かつクリープ破断強さも
格段に優れた高温圧力容器用鋼クロム鋳鋼を発明した。

【０００８】即ち、本発明は、（１）重量比で炭素：
０．０５〜０．１３％、シリコン：０．７％以下、マン
ガン：１％以下、クロム：９．５〜１２％、ニッケル：
０．６％以下、バナジウム：０．１〜０．３％、ニオブ
及びタンタルの合計：０．０１〜０．２％、窒素：０．
０１〜０．１％、モリブデン：０．５％以下、タングス
テン：０．９〜３％、コバルト：２．５％以下及び不可
避的不純物を含み残部が鉄からなることを特徴とする高
温圧力容器用高強度高クロム鋳鋼を提供する。

【０００９】又、（１）の鋳鋼の成分のうち特定の成分
の比率を変えた次のような鋳鋼も提供する。

【００１０】（２）上記（１）においてマンガンの重量
比を０．１％以下とする鋳鋼。

【００１１】（３）上記（１）又は（２）においてニッ
ケルの重量比を０．２％以下とする鋳鋼。

【００１２】（４）上記（１），（２）又は（３）にお
いて不純物中に含まれる銅を重量比で１．２％以下とす
る鋳鋼。

【００１３】（５）上記（１），（２），（３）又は
（４）において不純物中に含まれる硼素を重量比で０．
０１％以下とする鋳鋼を提供する。

【００１４】

【作用】本発明は、１２Ｃｒ系鋼を基本成分として合金
元素の厳選を行い、延性、靱性および耐酸化性を確保し
ながら高温強度の改善を鋭意行い、優れた高温特性を有
する新しい高温圧力容器用高クロム鋳鋼としたものであ
る。以下に本発明の高温圧力容器用高クロム鋳鋼におけ
る成分限定理由を述べる。

【００１５】炭素：炭素は窒素とともに炭窒化物を形成
しクリープ破断強度の向上に寄与する。しかし、０．０
５％未満では十分な効果は得られず、また０．１３％を
越えると使用中に炭窒化物が凝集粗大化し、高温長時間
強度を劣化させる。このため０．０５〜０．１３％とす
る。

【００１６】ケイ素（シリコン）：通常、この種の鋳造
材では、鋳造性の確保のためにケイ素はやや高めにする
ことが望ましいとされているので、その常識に従って
０．７％までの添加を許容することにしている。ケイ素
を添加すると湯流れが良くなり、また溶湯の鎮静化効果
があっていわゆる鋳造欠陥の防止には有効である。その
かわりにミクロ的およびマクロ的偏析を起こしやすくな
り、安定した材質特性が得難くなるという問題がある。
上述の０．７％という上限値は、後者の問題が顕著に現
われない範囲でこれを許容したものである。

【００１７】マンガン：マンガンは脱酸材として有用な
元素である。また、δフェライトの生成を抑制する作用
がある。一方、多量にこの元素を加えるとクリープ破断
強度が劣化する。このため、１％を越える量の添加は好
ましくない。また、特に０．１％以下に抑えるとクリー
プ破断強度はさらに改善される。このため、必要に応じ
て０．１％以下に抑えて添加することが必要である。

【００１８】クロム：クロムは炭化物を形成してクリー
プ破断強度の改善に寄与するとともに、マトリックス中
に溶け込んで耐酸化性を改善し、かつマトリックス自体
を強化して高温長時間側の強度の向上に寄与する。９．
５％未満であるとその効果が十分でなく、また１２％を
越える量を添加するとδフェライトを生成し安くなって
強度の低下や靱性の劣化をもたらす。このためその成分
範囲を９．５〜１２％とする。

【００１９】ニッケル：ニッケルは靱性を改善する上で
有効な元素である。しかし、多量の添加はクリープ破断
強度を著しく劣化させる。このため、０．６％以下の添
加が望ましい。特に、０．２％以下に低く抑えて添加に
するとクリープ破断強度が著しく改善される。このため
必要に応じて０．２％以下の添加が必要となる。

【００２０】バナジウム：ハナジウムは炭窒化物となっ
てクリープ破断強度を改善する。０．１％未満では十分
な効果が得られない。また、逆に０．３％を越える量を
添加するとむしろクリープ破断強度は低下してしまう。
このため、添加量を０．１〜０．３％とする。

【００２１】ニオブまたはタンタル：ニオブまたはタン
タルは炭窒化物を形成して高温強度の改善に寄与する。
また、高温で析出する炭化物（Ｍ₂₃Ｃ₆）を微細にして
長時間クリープ破断強度の改善に寄与する。０．０１％
未満ではその効果はなく、また０．２％を越える量を添
加すると、鋳造時に生成したニオブまたはタンタルの炭
窒化物が熱処理（溶体化処理：９８０〜１１５０℃）時
にマトリックスに十分に固溶できず、使用中に粗大化し
て長時間のクリープ破断強度を低下させる。このためこ
れらの元素の添加量の合計を０．０１〜０．２％とす
る。

【００２２】窒素：窒素は炭素や合金元素とともに炭窒
化物を形成して高温強度の改善に寄与する。その量が
０．０１％未満では、十分な炭窒化物を形成することが
できないために、クリープ破断強度が十分に得られな
い。また、０．１％を越える量を添加すると、長時間側
で炭窒化物が凝集粗大化して、十分なクリープ破断強度
を得ることができなくなる。このため、添加量を０．０
１〜０．１％とする。

【００２３】モリブデン：モリブデンはタングステンと
ともにマトリックス中に固溶してクリープ破断強度を改
善する。モリブデンの単独の添加であれば１．５％程度
添加することも可能であるが、タングステンを本願の
（１）項の範囲で添加する場合、タングステンの方が高
温強度の改善に有効であり、またモリブデン及びタング
ステンを多量に添加するとδフェライトが形成されてク
リープ破断強度を劣化させる。このため、タングステン
の添加量とのバランスからモリブデン量は０．５％以下
の添加とする。

【００２４】タングステン：タングステンは前述のよう
にモリブデンとともにマトリックス中に固溶してクリー
プ破断強度を改善する。タングステンはモリブデンより
も固溶体強化機能が強く、有効な元素である。しかし多
量に添加するとδフェライトや多量のラーベス相を生成
するため、逆にクリープ破断強度を劣化させる。このた
め、モリブデンの添加量とのバランスを考慮して０．９
〜３％の添加とする。

【００２５】コバルト：コバルトはニッケルと同様にマ
トリックスに固溶してδフェライトの生成を抑制する。
また、ニッケルのように高温強度を劣化させることはな
い。このためコバルトを添加すると、コバルトを添加し
ないものよりもクロムやタングステンの強化元素を多く
添加することが可能となる。この結果、高いクリープ破
断強度を得ることが可能となる。しかし、２．５％を越
える量を添加すると、炭化物の析出を促進してしまうた
めに、長時間側のクリープ破断強度を劣化させてしま
う。このため、２．５％以下の添加とする。

【００２６】銅：銅は不可避的不純物として含まれるも
ので、δフェライトを抑制する元素として有効である。
また、銅自体はマトリックス中に微細に析出して高温強
度の改善に有効である。しかし、銅は１０００℃を越え
る高温に保持するとに粒界析出して脆化の原因となる。
また、銅の析出量が多いと、高温保持中に粗大化して長
時間クリープ強度の低下をまねく。したがってこれらの
悪影響が顕著に現われない１．２％以下の銅の添加を許
容する。

【００２７】硼素：硼素は、不可避的不純物として含ま
れるもので、粒界強度を高くする作用がある。このた
め、クリープ破断強度の改善に寄与する。しかし、多量
に添加すると靱性が低下する。このため、添加量を０．
０１％以下におさえる。その他、鉄を含んだ不可避的不
純物が含まれる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例につき説明する。表１
は実際に試験を行った供試材と比較材とを対比した化学
成分表であり、縦に本発明材を番号１〜８で、比較材を
９〜２０で示し、横に化学成分を重量％で示したもので
ある。

【００２９】全ての材料は５０kg真空高周波溶解炉にて
溶製し、これを砂型鋳型に鋳込むことによって製造し
た。次に試験材は、１０５０℃で１０ｈｒ加熱し、蒸気
タービン用車室などの大型材を想定して１０５０℃から
３００℃までを７３℃／ｈｒで冷却し、以後空冷して焼
入れ処理を行った。次いで焼戻しは０．２％耐力がおよ
そ６２〜６７kgf ／mm²になるように各材料の焼戻し温
度を決めて行った。

【００３０】

【表１】

【００３１】なお、上記表１中、比較材１９，２０は特
願昭５９−２１６３２２号で提案した高クロム鋳鋼の成
分を示している。又、表中＊印を付したものは、比較材
において本発明材との成分比率が特徴的に異るものを表
示しており、本発明材の成分比率の特徴をわかりやすく
するために便宜上付したものである。

【００３２】表２は本発明材と比較材の機械的性質を示
すもので、前述の表１と同じ番号を付している。なお、
比較材１９，２０は表１と同じく特願昭５９−２１６３
２２号（特開昭６１−９６０６２号）で提案したもので
ある。

【００３３】

【表２】

【００３４】常温引張試験の結果には本発明材と比較材
とではほとんど差はないが、衝撃特性の点では比較材の
材料番号１１，１２，１６，１７，１８が低い値を示し
ており、（表中＊印で表示した欄）本発明材に比べて靱
性が低いことが明かとなっている。また材料番号１９，
２０の比較材に対して、本発明材のなかで一部衝撃値が
低いものもあるが、溶接性の確保という意味では本発明
材程度の衝撃値を有していれば特に大きな問題とはなら
ない。

【００３５】表３は本発明材と比較材との６２５℃の１
０万時間後のクリープ破断強さ（時間−破断応力曲線か
らの外挿値）を示す。この結果から明らかなようにすべ
ての比較材に比べて本発明材のクリープ破断強さは格段
に優れている。

【００３６】

【表３】

【００３７】

【発明の効果】以上、具体的に説明したように本発明の
高温圧力容器用高クロム鋳鋼は、従来材の合金元素の成
分比率を厳選した結果、従来材と同程度の延性および靱
性を有し、かつ高温強度が飛躍的に高められている。従
って蒸気温度が５９３℃を越える超々臨界圧発電プラン
トのタービンロータ車室材料や弁室材料として有効に活
用できるものである。本発明の鋳鋼を使用することによ
り、現在の超々臨界圧発電プラントをさらに高温化し、
その結果、化石燃料の節約に寄与するとともに二酸化炭
素の発生量を低く抑えることができるので地球環境の保
護を進める上でも非常に有用なものである。

フロントページの続き (72)発明者高野勇作長崎市深堀町５丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者北川幾次郎北九州市戸畑区大字中原先ノ浜46番地59 日本鋳鍛鋼株式会社内 (72)発明者田代康統北九州市戸畑区大字中原先ノ浜46番地59 日本鋳鍛鋼株式会社内 (72)発明者望月幸雄北九州市戸畑区大字中原先ノ浜46番地59 日本鋳鍛鋼株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比で炭素：０．０５〜０．１３％、
シリコン：０．７％以下、マンガン：１％以下、クロ
ム：９．５〜１２％、ニッケル：０．６％以下、バナジ
ウム：０．１〜０．３％、ニオブ及びタンタルの合計：
０．０１〜０．２％、窒素：０．０１〜０．１％、モリ
ブデン：０．５％以下、タングステン：０．９〜３％、
コバルト：２．５％以下及び不可避的不純物を含み残部
が鉄からなることを特徴とする高温圧力容器用高強度高
クロム鋳鋼。
【請求項２】重量比でマンガン：０．１％以下とした
ことを特徴とする請求項１記載の高温圧力容器用高強度
高クロム鋳鋼。
【請求項３】重量比でニッケル：０．２％以下とした
ことを特許とする請求項１又は２記載の高温圧力容器用
高強度高クロム鋳鋼。
【請求項４】前記不純物中には重量比で銅：１．２％
以下を含むことを特許とする請求項１，２又は３記載の
高温圧力容器用高強度高クロム鋳鋼。
【請求項５】前記不純物中には重量比で硼素：０．０
１％以下を含むことを特許とする請求項１，２，３又は
４記載の高温圧力容器用高強度高クロム鋳鋼。