JPS608299B2 - 高温回転円盤用低合金鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温回転円盤用低合金鋼に関し、特に最高使
用温度が４００〜４５０ｑ０と高く、強度レベルも高く
、しかも低コストで容易に入手することのできる高温回
転円盤用低合金鋼に関する。

ガスタービンやジェットエンジンのタービンディスク（
回転円盤）用材料には、従来、主として、表１に代表さ
れるような３．州ｊ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼（低合金鋼）、
表２に代表されるようなＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼（低合金鋼）
、表３に代表されるような１２％Ｃｒ系ステンレス鋼、
および表４に代表されるようなＦｅ基耐熱合金などの鍛
造品が用いられてきた。

△、一ス の洋．のｌりのＩ ※Ｃ量は次の通り、Ｃｌａｓｓ ４及び５：最大０．３
５発」Ｃｌａｓｓ６・７・８及び９二最大０．４０鬼そ
の他のＣｌａｓｓ最大０２８％表２ 低合金鋼ディス
ク材の化学成分の例（その２）表 ３ １２％ Ｃ
ｒ系鋼ディスク材の化学成分の例※ 米国Ｊｅｓｓ
ｏｐ−Ｓａｖｉｌｌｅ Ｌｔｄ．社の商品名※※ 米
国ＳａｈｕｅＩ Ｆｏｘ ＆ Ｃｏ．Ｌ亡ｄ．社の商品
名※※※ 米国Ｆｉｒｔｈ‐ＶｉｃＫｅｒｓ Ｓｔａｉ
ｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌｅＬｔｄ．社の商品名表４
Ｆｅ基耐熱合金テイスク材の化学成分の例表１に代表
されるようなＮｉを数％含有する３．州ｊ−Ｃｒ−Ｍｏ
−Ｖ鋼（低合金鋼）ディスク材は、比較的高い強度〔０
，２％耐力（以下、０．２％耐力を単に耐力という）７
０〜１２０ｋｇ／桝〕と高い靭性（２５ｏ０におけるＶ
ノッチ・シャルピー衝撃吸収エネルギー５〜１０ｋ９−
ｍ以上）を兼備し、溶解、鍛造、熱処理も比較的簡単で
コストが低く、入手も容易であるが、使用温度（ディス
クのメタル温度をいう）が３００〜３５０００以上にな
ると、このディスク材はクリープ領域に入り、材料強度
の設計上、クリープを考慮する必要が生じ「複雑になり
、また引張強さや耐力などの強度は長時間使用するに従
って低下し（これを軟化現象という）、さらに３５０〜
５００００の温度範囲で数百〜数万時間使用すると、焼
戻し脆性のために鋤性が著しく低下する。

これは、主に、数％以上のＮｉを含む低合金鋼であって
、焼入、焼戻しの鯛質を行ない強度と鞠性を改良したデ
ィスク材に見られる宿命である。また、表２に代表され
るようなＣｒ一Ｍｏ−Ｖ鋼（低合金鋼）は、上記の３．
州ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼と同様にコストも低く、入手も
容易であり、また３．州ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼のような
著しい軟化現象や焼戻し脆性を示さず、しかも使用温度
が４３０〜４８０℃になるまでクリープ領域に入らない
ため、３．州ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼よりも使用温度を１
００〜２００℃高くすることができるが、籾性は３．州
ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼ほどには優れておらず、特に引張
強さや耐力などを上げようとすると鞠性が著しく低下し
、例えば耐力を７０〜８０ｋｇ／桝以上の高い強度レベ
ルに調質すると２５ｏ０におけるＶノツチ・シャルピー
衝撃吸収エネルギーが１〜２ｋ９−ｍ以下と著しく低下
してしまい、そのうえ４００ｑｏ程度の温度でもクリー
プ領域に入り、このクリープ温度領域において切欠弱化
（欠切クリープ破断強さが平滑クリーブ破断強さより弱
くなることをいう）するため、ディスク用材料として使
用する場合、強度をあまり高くする論賛（焼入、焼戻し
）を行なうことができず、一般に、３．則ｉ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ−Ｖ鋼よりも強度レベルは低く押えられ、通常、室温
における耐力は６０〜７０ｋｇノ協以下である。

さらに、表３に代表されるような１２％Ｃｒ系ステンレ
ス鋼は、Ｃｒを多量に含有しているため、上記の３．斑
ｊ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼やＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の両低合金鋼
に比べて耐食耐酸化性に優れるが、多量のＣｒを含有し
ているばかりでなく、一般には高温強度を改善するため
にＮｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖなどの高価な合金元素を数％含有
しており、従って上言己の両低合金鋼のコストよりも２
〜３倍高く、またこのような合金元素が多いにもかかわ
らず、高温における強度や室温における籾性は上記のＣ
ｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼と同様の挙動を示し、顕著な強度および
鞠性の向上は期待できない。また、表４に代表されるよ
うなＦｅ基耐熱合金は、ＮｉやＣｒを多く含有している
ため、耐食耐酸化性に優れ、５００〜５８０ｏｏ以上の
温度でクリ−プ領域に入るので、高温強度を高くとるこ
とができ、また均一なオーステナィト系組識のため、脆
性破壊を起さず、籾性を考慮する必要がなく、強度は溶
体化・時効処理によって「相｛Ｎｉ３（Ａ〆・Ｔｉ）｝
の金属間化合物の析出硬化によりもたらされるので、上
記した低合金鋼や１２％Ｃｒ系ステンレス鋼のように調
質（焼入、焼戻しにより、焼戻しマルテンサィト組織ま
たはベイナイト組織になる）時における質量効果を考慮
する必要がないが、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏなどの高価な合金
元素を多量に含有しており、しかもＡそ、Ｔｉなどの活
性の高い合金元素を含有しているため通常の熔解法は適
用できず真空高周波溶解あるいは真空アーク溶解などの
より高度な溶解技術が必要で、コストがかなり高く、通
常の低合金鋼のコストの５〜１折音である。

また最近のようにタービンが大容量化してくると、必要
なタービンディスクも単体重量で５〜６トン以上にもな
り、このような大型のＦｅ基耐熱合金のディスク用鍛造
品を製造し得る設備を有するメーカーは国内外を見ても
数社に限られる。一方、近年、ガスタービンは高効率化
と大容量化が図られるようになり、前者においては、熱
効率向上のためにタービン入口ガス温度を高くする必要
があり、従ってディスク温度も高くなり、上記の３．州
ｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の最高使用温度である３００〜３
５０３０以下に押えることは難しく、後者においては、
設計上必要とされるディスクの形状が大型化し、ディス
ク用鍛造品の単体重量が５〜６トン以上にもなってきて
いるなどの問題が生じてきている。

本発明は、以上の諸点に鑑み、上言己の３．球ｊ−Ｃｒ
−Ｍｏ−Ｖ鋼やＣｒ−Ｍｏ一Ｖ鋼などの低合金鋼のコス
トで、容易に入手することができ、しかも最高使用温度
が４００〜４５０００と上記の３．則ｊ−Ｃｒ−Ｍｏ−
Ｖ鋼よりも１００〜１５０００高くでき、強度レベルも
上記のＣｒ‐Ｍｏ−Ｖ鋼よりも優れ上記の３．州ｉ−Ｃ
ｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼に近いディスク用低合金鋼を提供しよう
とするので、ディスクのメタル温度を４００〜４５０午
０に上げることができれば熱効率を数％以上向上させる
ことができ、しかも低合金鋼であれば５〜６トン以上の
大型鍛造品であっても国内で容易に入手でき、コストも
高くならないという上記した近年の問題をも解消しよう
とするものである。

すなわち本発明はＣＯ．２０〜０．４０％、Ｓｉｏ．２
０％以下、Ｍｎｏ．３０〜１．００％、Ｎｉｏ．３０〜
０．８０％、Ｃｒｌ．８０〜２．８０％、Ｍｏｏ．８〜
〜１．３０％、ＶＯ．１０〜０．３０％「Ｎｂｏ．０２
〜０．１５％その他通常の避けられない不純物元素、残
部下ｅからなる低合金鋼で、通常の蛭入、焼戻し処理を
行なって室温における引張強さを８５〜１００ｋ９／秘
、０．２％耐力を７５〜９０ｋ９／柵に調質された高温
回転円盤用低合金鋼に関するものである。

本発明における上記化学成分は、従来からボィラや化工
機に多量に使用されている２１４Ｃｒ−Ｍｏ鋼をベース
に、従来からスチームタービンの高圧ロータ材あるいは
ガスタービンのディスク材に用いられているＣｒ−Ｍｏ
−Ｖ鋼の化学組成を参考にして、各種の試験の結果見し
、出された適正化学成分であり、特に、Ｖを０．１０〜
０．３０％、好ましくは０．１５〜０．２５％とし、Ｎ
ｂを０．０２〜０．１５％添加することにより、結昌粒
微細化を図り、これによって強度を高めて轍性の低下を
防止し、また、Ｎｊを０．３０〜０．８０％添加し、Ｃ
ｒを１．８０〜２．８０％とすることにより（すなわち
従来のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の約２倍のＣｒ量とすることに
より）、調質時のベイナイト暁入性を改善し、これによ
って室温引張性質と高温クリープ性質を改善するもので
ある。

以下に、本発明鋼における化学成分の作用および含有量
の限定理由を各成分毎に説明する。Ｃは、低合金鋼の廉
入性を大きくする上で最も有効で、暁入後に適正な温度
（通常、概ね５５０〜７００ｑ０）で焼戻しを行なうと
強度と靭性を兼備させるのに有効であり、またＣｒ、Ｍ
ｏ、Ｖと炭化物（Ｃｒ２３Ｃ５，Ｍｏ２Ｃ，Ｖ４Ｃ３な
ど）を形成し、高温における引張強さ、クリープ破断強
さを増加させるが、余り多く添加すると鞠性（Ｖノッチ
・シャルピー衝撃吸収エネルギー、あるいは波嬢鞠性）
と延性（引張破断伸び、あるいはクリープ破断伸び）を
阻害するので、０．２０〜０．４０％とする。Ｓｉは、
溶鋼の脱酸剤として有効であるが、余り多く添加すると
脱酸による生成物であるＳｊ０２が鋼中に残存し、鋼の
清浄度を害し、鞠性を低下させ、またクリープ破断伸び
（延性）を低下させるので、０．２０％以下とする。Ｍ
ｎは、溶鋼の脱酸、脱硫剤として非常に有効であり、ま
た競入性を増大させ強度を高めるが、余り多く添加する
と靭性および延性を害するので、０．３０〜１．００％
とする。

Ｎｉは、鋼の暁入性を増大させ、室温における強度を高
め、特に鞠性の増大には非常に有効であるが、余り多く
添加すると（概ね０．８０％以上）鋼に焼戻し脆性（３
５０〜５００ｑｏで長時間加熱すると、鋤性が低下する
現象）をもたらし、またクリープ破断強さを低下させる
ので、０．３０〜０．８０％とする。

Ｃｒは、通常の低合金鋼の添加元素として最も重要であ
り、耐食、耐酸化性を改善し、焼入性を増大して室温に
おける引張性質を向上させ、更にクリープ強さやクリー
プ破断強さなど室温における強度の改善にも有効で、そ
の効果は添加量１〜２％程度までは顕著であるが、それ
以上添加しても効果は緩やかであるのみならず、Ｃｒは
高価であるためコスト高となるので、１．８０〜２．８
０％とする。

Ｍｏは、Ｃｒと同様に通常の低合金鋼の添加元素として
重要であり、暁入性を増大し、しかも焼戻し時の焼戻し
軟化抵抗を大きくして室温における強度（引張強さ、耐
力）の増大に有効であり、また固溶体強化元素として或
るし、は炭化物（Ｍｏ２Ｃ，Ｃｒ２，Ｍｏ２Ｃ６など）
を形成する析出硬化作用元素としてクリープ強さやクリ
ープ破断強さなど高温における強度の改善に有効であり
、更に０．８％程度以上添加すると焼戻し脆性を阻止す
る元素として非常に有効であるが、余り多く添加しても
その効果は顕著ではなく、返って、轍性と延性を害し、
また高価であるので、０．８０〜１．３０％とする。

Ｖは、本発明鋼の引張強ごや耐力など単時間強度の増加
に有効であり、またＭｏと同様に固溶体強化元素として
或るいは炭化物（Ｖ４Ｃ３）を形成する析出硬化作用元
素としてクリープ強さやクリープ破断強さなど高温強度
を著しく向上させ、更に或る程度の添加量（概ね０．０
３〜０．３０％）の範囲であれば結晶粒を微細化させて
鞠性の向上にも有効であるが、余り多く添加すると著し
く鞠性を低下させ、また高価であるので、０．１０〜０
．３０％とする。

Ｎｂは、Ｖと同様に引張強さやクリープ破断強さを向上
させるのに有効であると同時に結晶粒微細化の作用があ
るが、本発明鋼の場合、Ｎｂ添加による強度上昇は余り
期待せず、結晶粒微細化による鞠性の向上をもたらすた
めのものであり、従って余り多く添加することは有効で
なく、しかも高価であるため、０．０２〜０．１５％と
する。

その他、不純物元素として製鋼の原材料より混入され通
常避けられ得ないものがあり、これらはできるだけ低い
方が望ましいが、原材料を高純度のものに厳選するとコ
スト高となるため、Ｐは０．０２０％以下、Ｓは０．０
２０％以下、Ｃｕは０．３０％以下とすることが好まし
く、またＡそ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓなどの有害元素
も極力低くすることが好ましい。なお、本発明鋼におい
て、Ｓｉは上記のように０．２０％以下に押えるが、Ｓ
ｉは従釆の低合金鋼の脱酸元素として不可欠であるため
、場合によっては脱酸が充分行なわれないことがあり、
従って本発明鋼の溶解法として既に３．卵ｉ−Ｃｒ−Ｍ
ｏ−Ｖ鋼に広く適用されている真空カーボン脱酸溶解法
あるいはェレクトロスラグ再溶解法を適用することが好
ましい。

次に、実施例を挙げて本発明鋼を具体的に説明する。

実施例 ガスタービン・ディスク材を想定して約１００００×２
０■柳の鍛造品を、高周波溶解後、ェレクトロスラグ再
溶解法により溶製し、次の暁入、焼戻し処理を施した。

競 入・・・９３０ｏｏ×１．抽て（油焼入）焼戻し・
・・６６００Ｃ×甑ｒ （空 冷）この鍛造品の化学
分析（チェック分析）結果は表６の通りであり、引張性
質は第１図の通りであった。第１図中、ｏは中心部の、
・は直径／４部の、△は外周部の各データであり、Ａは
引張強さ、Ｂは０．２％耐力、Ｃは絞り、Ｄは伸びであ
る。なお、第１図の代表例を表７に示す。また結晶粒度
はＮｏ．８で紐粒であり、その代表例を第６図の顕微鏡
写真に示す。更に、上記鍛造品のＶノッチ・シャルピー
衝撃試験結果は表８に示す通りであり、ＡＳＴＭ旧３９
９による破壊鞠性試験結果は第２図に示す通りであった
。

、表８から明らかなように、中心部の５０％ＦＡＴＴは
十３０００であり、十２５ｏｏにおける吸収エネルギー
は約４．５ｋ９−ｍであり、また第２図から明らかなよ
うに十２５℃における破壊鞠性ＫＩＣ値は６００ｋ９／
肌３／２弱あり、充分な靭性を有していることが判る。
さらに、表８から明らかなように稀化熱処理によっても
Ｖノッチ・シャルピー衝撃性質は低下せず、良好な性状
を示していることが判る。また、上記鍛造品のクリーブ
破断試験結果は第３図に、クリープ試験結果は第４図に
示す通りであった。

第３図において、横軸のラーソン・ミラ一・パラメータ
のＴは温度（℃）、ｈはクリープ破断時間（ｈｒ）を表
わし、データのマークは次の通りである。○…外 周
部、試験温度４５０ｏｏ △… 〃 〃 ５００００口・・・
〃 〃 ５５０午００・・・直径／４部
、 〃 ４５０℃▲… 〃 〃 ５
００午〇１・・・ 〃 〃 ５５０００
また第４図において、横軸のラーソン・ミラー・パラメ
ータのＴは温度（００）、Ｖはクリープ速度（％／ｈｒ
）を表わし、データのマークは次の通りである。

△・・・直径／４部、試験温度４５０こ０○… 〃
〃 ５５０午○ 第３図から明らかなように、通常のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の
クリープ破断強さよりも５ｋｇ／桝以上高い値を示し、
良好な強度を有していることが判り、また５５０こ０で
３００皿ｒ以上の破断伸びも約２８％という充分に大き
な値を示し、切欠弱化になっていないことが推定される
。

なお、上記の結果から推定される許容応力線図を第５図
に示す。

第５図中、曲線１は０．２％耐力／１．５、曲線２は引
張強さ／２．５、曲線３は１『ｈｒクリープ破断強さを
示す。第５図から明らかなように、約４２０℃まではク
リープ領域に入らず許容応力を設定でき、従来のＣｒ−
Ｍｏ−Ｖ鋼よりも許容応力を４〜５ｋｇ／地高くとるこ
とが期待できる。表 ６ ディスク材の化学分析 表 ７ ディスク材の直径／４部の引張試験結果表
７ ディスク材のＶノッチ・シャルピー衝撃性質※
５０％ＦＡＴＴ；せん断被面率が５０％になる温度。

※※ 脆化熱処理；次の条件で行をつた。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は本発明の実施例における試験結果を示すも
ので、第１図は引張性質、第２図はＶノツチ・シャルピ
ー衝撃試験、第３図はクリープ破断試験、第４図はクリ
ープ試験、第５図は推定許容応力線図、第６図は顕微鏡
写真である。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｃ０．２０〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍ
   ｎ０．３０〜１．００％、Ｎｉ０．３０〜０．８０％、
   Ｃｒ１．８０〜２．８０％、Ｍｏ０．８〜１．３０％、
   Ｖ０．１０〜０．３０％、Ｎｂ０．０２〜０．１５％、
   その他通常の避けられない不純物元素、残部Ｆｅからな
   る低合金鋼で、通常の焼入、焼戻し処理を行なって室温
   における引張強さを８５〜１００ｋｇ／ｍｍ＾２、０．
   ２％耐力を７５〜９０ｋｇ／ｍｍ＾２に調質された高温
   回転円盤用低合金鋼。