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JP2015086432A - Austenitic heat resistant steel and turbine component - Google Patents

Austenitic heat resistant steel and turbine component Download PDF

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JP2015086432A
JP2015086432A JP2013225702A JP2013225702A JP2015086432A JP 2015086432 A JP2015086432 A JP 2015086432A JP 2013225702 A JP2013225702 A JP 2013225702A JP 2013225702 A JP2013225702 A JP 2013225702A JP 2015086432 A JP2015086432 A JP 2015086432A
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austenitic heat
resistant steel
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turbine
temperature
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JP2013225702A
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Japanese (ja)
Inventor
駿 生沼
Shun Oinuma
駿 生沼
重和 宮下
Shigekazu Miyashita
重和 宮下
藤田 敏之
Toshiyuki Fujita
敏之 藤田
邦義 根本
Kuniyoshi Nemoto
邦義 根本
章吾 岩井
Shogo Iwai
章吾 岩井
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an austenitic heat resistant steel and a turbine component which can reduce coefficients of linear expansion while maintaining high temperature strength.SOLUTION: An austenitic heat resistant steel comprises, by mass %, Ni: 24-40%, Cr: 5-13%, Co: 0.1-12%, Nb: 0.1-5%, V: 1-14%, Ti: 1.9-2.35%, Al: 0.35-2%, B: 0.001-0.01%, and C: 0.001-0.1%, with the balance being Fe and inevitable impurities.

Description

本発明の実施の形態は、オーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品に関する。   Embodiments of the present invention relate to an austenitic heat resistant steel and a turbine component.

近年、大気中への二酸化炭素の排出量削減の観点から、発電プラントの高効率化が進められている。そのため、火力発電プラントに備えられる蒸気タービンやガスタービンの高効率化が要求されている。また、火力発電プラントに設置可能なCOタービンにおいても高効率化が要求されている。 In recent years, high efficiency of power plants has been promoted from the viewpoint of reducing carbon dioxide emissions into the atmosphere. Therefore, high efficiency of the steam turbine and gas turbine provided in the thermal power plant is required. High efficiency is also required for a CO 2 turbine that can be installed in a thermal power plant.

上記した各タービンにおける効率を上げるためには、タービンに導入される作動流体の入口温度を高温化することが有効である。例えば、蒸気タービンにおいては、将来的には、作動流体である蒸気の温度が650℃以上、さらには700℃程度での運用が期待されている。ガスタービンやCOタービンにおいても、導入される作動流体の入口温度は、上昇する傾向にある。 In order to increase the efficiency of each turbine described above, it is effective to increase the inlet temperature of the working fluid introduced into the turbine. For example, a steam turbine is expected to be operated in the future when the temperature of steam as a working fluid is 650 ° C. or higher, and further about 700 ° C. Also in the gas turbine and the CO 2 turbine, the inlet temperature of the introduced working fluid tends to increase.

従来、600℃程度の温度に曝されるタービン部品には、フェライト系耐熱鋼などが使用されている。しかしながら、上記したような高温の作動流体に曝されるタービン部品をフェライト系耐熱鋼で構成することは耐熱性から問題がある。そのため、このような高温の作動流体に曝されるタービン部品は、オーステナイト系耐熱鋼、Ni基合金あるいはCo基合金などで構成される。これらの中でも、オーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼よりも50℃程度も耐用温度が高く、かつNi基合金の1/3程度の材料費である。そのため、オーステナイト系耐熱鋼を使用することで、製造コストを抑え、高効率化を図ることができる。   Conventionally, ferritic heat-resistant steel or the like is used for turbine parts exposed to a temperature of about 600 ° C. However, it is problematic from the viewpoint of heat resistance that the turbine parts exposed to the high-temperature working fluid as described above are made of ferritic heat resistant steel. Therefore, the turbine component exposed to such a high-temperature working fluid is composed of austenitic heat-resistant steel, Ni-base alloy, Co-base alloy, or the like. Among these, austenitic heat-resistant steel has a higher service temperature of about 50 ° C. than ferritic heat-resistant steel, and has a material cost of about 1/3 that of Ni-based alloys. Therefore, by using austenitic heat-resistant steel, manufacturing costs can be reduced and higher efficiency can be achieved.

一方、オーステナイト系耐熱鋼は、線膨張係数が高いとうい性質を有している。この性質は、高温機器への適用においてデメリットとなる。Alloy286などの公知のオーステナイト系耐熱鋼においては、金属間化合物を析出強化相として利用して耐力の向上が図られている。しかしながら、高温強度を維持しつつ線膨張係数を低減した耐熱鋼は、提案されていない。   On the other hand, austenitic heat-resisting steel has the property of having a high linear expansion coefficient. This property is a disadvantage in application to high-temperature equipment. In known austenitic heat resistant steels such as Alloy 286, the yield strength is improved by using an intermetallic compound as a precipitation strengthening phase. However, no heat-resisting steel has been proposed in which the linear expansion coefficient is reduced while maintaining high-temperature strength.

特開2011−195880号公報JP 2011-195880 A

高温構造材料の設計を行う上で、材料の熱膨張特性は重要な因子である。しかしながら、従来のオーステナイト系耐熱鋼の線膨張係数は、フェライト系耐熱鋼の線膨張係数の1.5倍程度であるため、熱伸び差の問題などが生じる。   In designing a high-temperature structural material, the thermal expansion property of the material is an important factor. However, since the linear expansion coefficient of the conventional austenitic heat resistant steel is about 1.5 times the linear expansion coefficient of the ferritic heat resistant steel, a problem of thermal expansion difference occurs.

本発明が解決しようとする課題は、高温強度を維持しつつ、線膨張係数を低減することができるオーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide an austenitic heat-resistant steel and a turbine component that can reduce the linear expansion coefficient while maintaining high-temperature strength.

実施形態のオーステナイト系耐熱鋼は、質量で、Ni:24〜40%、Cr:5〜13%、Co:0.1〜12%、Nb:0.1〜5%、V:1〜14%、Ti:1.9〜2.35%、Al:0.35〜2%、B:0.001〜0.01%、C:0.001〜0.1%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。   The austenitic heat resistant steel of the embodiment is, by mass, Ni: 24 to 40%, Cr: 5 to 13%, Co: 0.1 to 12%, Nb: 0.1 to 5%, V: 1 to 14% Ti: 1.9-2.35%, Al: 0.35-2%, B: 0.001-0.01%, C: 0.001-0.1%, the balance being Fe and Consists of inevitable impurities.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

本発明者らは、Vがオーステナイト系耐熱鋼の母相に固溶した場合、線膨張係数を低減する効果があることを見出した。しかしながら、Vは、単体で添加しても母相に固溶せず、Cr−V系の脆い相として析出し、材料の高温強度を低下させる知見が得られている。そこで、本発明者らは、適量のVとともに適量のCを添加して、高温強度に影響しないCr−C系炭化物を析出させ、Vを母相に十分に固溶させることによって、線膨張係数を低減し、かつ従来と同等の高温強度を有するオーステナイト系耐熱鋼が得られることを見出した。   The present inventors have found that when V is dissolved in the matrix of an austenitic heat resistant steel, there is an effect of reducing the linear expansion coefficient. However, even if V is added alone, it does not dissolve in the matrix phase, but precipitates as a Cr-V brittle phase, and it has been found that the high temperature strength of the material is lowered. Therefore, the present inventors added an appropriate amount of C together with an appropriate amount of V to precipitate a Cr—C-based carbide that does not affect the high temperature strength and sufficiently dissolve V in the matrix, thereby increasing the linear expansion coefficient. It was found that an austenitic heat-resistant steel having a high temperature strength equivalent to that of the conventional steel can be obtained.

以下、実施の形態を具体的に説明する。なお、以下の説明において組成成分を表す%は、特に明記しない限り質量%とする。   The embodiment will be specifically described below. In the following description, “%” representing a composition component is “% by mass” unless otherwise specified.

実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、Ni:24〜40%、Cr:5〜13%、Co:0.1〜12%、Nb:0.1〜5%、V:1〜14%、Ti:1.9〜2.35%、Al:0.35〜2%、B:0.001〜0.01%、C:0.001〜0.1%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。   The austenitic heat-resistant steel of the embodiment is Ni: 24-40%, Cr: 5-13%, Co: 0.1-12%, Nb: 0.1-5%, V: 1-14%, Ti Contains: 1.9-2.35%, Al: 0.35-2%, B: 0.001-0.01%, C: 0.001-0.1%, the balance being Fe and inevitable Consists of impurities.

ここで、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼における不可避的不純物としては、例えば、Si、Mn、PおよびSなどが挙げられる。   Here, examples of inevitable impurities in the austenitic heat-resistant steel according to the embodiment include Si, Mn, P, and S.

また、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、室温から700℃の温度における平均線膨張係数が18×10−6/K以下であることが好ましい。ここで、平均線膨張係数は、同じ試験片において、室温(T)における長さ(L)と、所定の温度(T)における長さ(L)を用いて、次の式(1)によって求められる。
平均線膨張係数 =(L−L)/(T−T)/L …式(1)
The austenitic heat-resistant steel of the embodiment preferably has an average linear expansion coefficient of 18 × 10 −6 / K or less at a temperature from room temperature to 700 ° C. Here, the average linear expansion coefficient is the following equation (1) using the length (L 0 ) at room temperature (T 0 ) and the length (L) at a predetermined temperature (T) in the same test piece. Sought by.
Average linear expansion coefficient = (L−L 0 ) / (T−T 0 ) / L 0 Formula (1)

上記した、室温から700℃の温度における平均線膨張係数は、室温(T)での長さ(L)と、温度(T=700℃)での長さ(L)を用いて、式(1)によって求められたものである。 The above-mentioned average linear expansion coefficient at a temperature from room temperature to 700 ° C. is calculated using the length (L 0 ) at room temperature (T 0 ) and the length (L) at temperature (T = 700 ° C.). It is obtained by (1).

ここで、線膨張係数が高いオーステナイト系耐熱鋼を、例えば発電プラントに使用した場合、発電プラントの寿命および性能に支障をきたす。具体的には、例えば、そのようなオーステナイト系耐熱鋼をタービン部品に使用した場合、発電プラントの起動時の膨張と停止時の収縮による熱疲労が過大に発生し、タービン部品が早期に破壊する。そこで、このような問題を回避するために、オーステナイト系耐熱鋼の室温から700℃の温度における平均線膨張係数を18×10−6/K以下とすることが好ましい。 Here, when an austenitic heat-resistant steel having a high linear expansion coefficient is used, for example, in a power plant, the life and performance of the power plant are hindered. Specifically, for example, when such austenitic heat-resistant steel is used for a turbine component, thermal fatigue due to expansion and contraction at the time of start-up of the power plant occurs excessively, and the turbine component breaks early. . Therefore, in order to avoid such a problem, it is preferable that the average linear expansion coefficient of the austenitic heat-resistant steel at a temperature from room temperature to 700 ° C. is 18 × 10 −6 / K or less.

実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、運転時の温度が650℃以上、さらには、700℃程度となるタービン部品を構成する材料として好適である。タービン部品として、例えば、タービンケーシング、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材、配管などが挙げられる。ここで、螺合部材として、例えば、タービンケーシングやタービン内部の各種構成部品を固定するボルトやナットなどを例示することができる。配管としては、例えば、発電用タービンプラントなどに設置され、高温高圧の作動流体が通過する配管などを例示することができる。   The austenitic heat-resisting steel of the embodiment is suitable as a material constituting a turbine component having a temperature during operation of 650 ° C. or higher, and further about 700 ° C. Examples of the turbine component include a turbine casing, a moving blade, a stationary blade, a turbine rotor, a screwing member, and piping. Here, as a screwing member, a bolt, a nut, etc. which fix various components inside a turbine casing or a turbine can be illustrated, for example. Examples of the piping include piping installed in a power generation turbine plant and the like through which a high-temperature and high-pressure working fluid passes.

上記したタービン部品のすべての部位を、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼で構成してもよい。また、例えば、温度が650℃以上となるタービン部品の一部の部位を、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼で構成してもよい。   You may comprise all the parts of the above-mentioned turbine parts with the austenitic heat resistant steel of the embodiment. For example, you may comprise the one part site | part of the turbine components in which temperature becomes 650 degreeC or more with the austenitic heat-resistant steel of embodiment.

上記した本実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、従来のオーステナイト系耐熱鋼よりも、線膨張係数が低く、従来のオーステナイト系耐熱鋼と同等の高温強度を有している。そのため、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼を用いて作製されたタービン部品においても、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼と同様な特性を有し、高い信頼性を有する。   The austenitic heat resistant steel of the present embodiment described above has a lower coefficient of linear expansion than the conventional austenitic heat resistant steel and has a high temperature strength equivalent to that of the conventional austenitic heat resistant steel. Therefore, the turbine component manufactured using the austenitic heat resistant steel of the embodiment also has the same characteristics as the austenitic heat resistant steel of the embodiment and has high reliability.

上記した、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼やタービン部品は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、COタービンなどの発電用タービンに適用することができる。 The above-described austenitic heat-resistant steel and turbine parts according to the embodiments can be applied to power generation turbines such as steam turbines, gas turbines, and CO 2 turbines, for example.

次に、上記した実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼における各組成成分範囲の限定理由を説明する。   Next, the reason for limitation of each component range in the austenitic heat-resistant steel of the above-described embodiment will be described.

(1)Ni(ニッケル)
Niは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。また、Niは、オーステナイト構造を安定化させる。これらの効果は、Niの含有率が24%以上において発揮される。また、Niの含有率が40%以下において、材料コストの増加や加工性の低下が抑えられる。そのため、Niの含有率を24〜40%とした。より好ましいNiの含有率は28〜38%であり、さらに好ましいNiの含有率は32〜36%である。
(1) Ni (nickel)
Ni dissolves in the Fe matrix, and causes solid solution strengthening and a decrease in the linear expansion coefficient of the matrix. Ni also stabilizes the austenite structure. These effects are exhibited when the Ni content is 24% or more. Further, when the Ni content is 40% or less, an increase in material cost and a decrease in workability can be suppressed. Therefore, the Ni content is determined to be 24 to 40%. A more preferable content of Ni is 28 to 38%, and a more preferable content of Ni is 32 to 36%.

(2)Cr(クロム)
Crは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。また、Crは、γ’相の固溶温度を上昇させるため、γ’相の析出が促進される。これらの効果は、Crの含有率が5%以上で発揮される。また、Crの含有率が13%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、σ相の析出が抑制される。そのため、Crの含有率を5〜13%とした。さらに好ましいCrの含有率は、6〜10%である。
(2) Cr (chromium)
Cr dissolves in the Fe matrix and causes solid solution strengthening and a reduction in linear expansion coefficient of the matrix. Moreover, since Cr raises the solid solution temperature of the γ ′ phase, the precipitation of the γ ′ phase is promoted. These effects are exhibited when the Cr content is 5% or more. Further, when the Cr content is 13% or less, a stable austenite structure is obtained and precipitation of the σ phase is suppressed. Therefore, the Cr content is determined to be 5 to 13%. A more preferable Cr content is 6 to 10%.

(3)Co(コバルト)
Coは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。これらの効果は、Coの含有率が0.1%以上で発揮される。また、Coの含有率が12%以下において、材料コストの増加や耐力の低下が抑えられる。そのため、Coの含有率を0.1〜12%とした。さらに好ましいCoの含有率は、2〜6%である。
(3) Co (cobalt)
Co dissolves in the Fe matrix and causes solid solution strengthening and a reduction in linear expansion coefficient of the matrix. These effects are exhibited when the Co content is 0.1% or more. Further, when the Co content is 12% or less, an increase in material cost and a decrease in yield strength can be suppressed. Therefore, the Co content is determined to be 0.1 to 12%. A more preferable Co content is 2 to 6%.

(4)Nb(ニオブ)
NbはFe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。また、Nbは、γ’相を形成して安定化させる。これらの効果は、Nbの含有率が0.1%以上で発揮される。また、Nbの含有率が5%以下において、材料コストの増加やδ(Ni(Nb,Ta))相(金属間化合物)の析出が抑えられる。そのため、Nbの含有率を0.1〜5%以下とした。さらに好ましいNbの含有率は、0.1〜3%である。
(4) Nb (niobium)
Nb forms a solid solution in the Fe matrix and causes solid solution strengthening and a reduction in the linear expansion coefficient of the matrix. Nb forms a γ ′ phase and stabilizes it. These effects are exhibited when the Nb content is 0.1% or more. Further, when the Nb content is 5% or less, an increase in material cost and precipitation of a δ (Ni 3 (Nb, Ta)) phase (intermetallic compound) can be suppressed. Therefore, the Nb content is set to 0.1 to 5% or less. A more preferable Nb content is 0.1 to 3%.

(5)V(バナジウム)
Vは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化および線膨張係数の低下をもたらす。これらの効果は、Vの含有率が1%以上で発揮される。また、Vの含有率が14%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、σ相の析出が抑制される。そのため、Vの含有率を1〜14%とした。より好ましいVの含有率は2〜10%であり、さらに好ましいVの含有率は2〜6%である。
(5) V (Vanadium)
V forms a solid solution in the Fe matrix and causes solid solution strengthening and a reduction in the linear expansion coefficient of the matrix. These effects are exhibited when the V content is 1% or more. Further, when the V content is 14% or less, a stable austenite structure is obtained, and precipitation of the σ phase is suppressed. Therefore, the V content is determined to be 1 to 14%. A more preferable V content is 2 to 10%, and a more preferable V content is 2 to 6%.

(6)Ti(チタン)
Tiは、Fe母相に固溶して母相を固溶強化するとともに、γ’相を構成する元素である。Tiの含有率が1.9%以上において、母相の固溶強化やγ’相の析出の促進が図れる。また、Tiの含有率が2.35%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、η相の析出が抑制される。そのため、Tiの含有率を1.9〜2.35%とした。さらに好ましいTiの含有率は、2.0〜2.2%である。
(6) Ti (titanium)
Ti is an element that forms a γ 'phase while solid-solution strengthening the mother phase by dissolving in the Fe mother phase. When the Ti content is 1.9% or more, solid solution strengthening of the parent phase and precipitation of the γ ′ phase can be promoted. Further, when the Ti content is 2.35% or less, a stable austenite structure is obtained and precipitation of the η phase is suppressed. Therefore, the Ti content is determined to be 1.9 to 2.35%. A more preferable Ti content is 2.0 to 2.2%.

(7)Al(アルミニウム)
Alは、Fe母相に固溶して母相を固溶強化するとともに、γ’相を構成する元素である。Alの含有率が0.35%以上において、母相の固溶強化やγ’相の析出の促進が図れる。また、Alの含有率が2%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、γ’相の過剰な析出が抑えられ、加工性や溶接性の低下が抑制される。そのため、Alの含有率を0.35〜2%とした。さらに好ましいAlの含有率は、0.5〜1.5%である。
(7) Al (aluminum)
Al is an element that forms a γ ′ phase while solid-solution strengthening the mother phase by dissolving in the Fe mother phase. When the Al content is 0.35% or more, solid solution strengthening of the parent phase and precipitation of the γ ′ phase can be promoted. In addition, when the Al content is 2% or less, a stable austenite structure is obtained, and excessive precipitation of the γ ′ phase is suppressed, and deterioration of workability and weldability is suppressed. Therefore, the Al content is determined to be 0.35 to 2%. A more preferable Al content is 0.5 to 1.5%.

(8)C(炭素)
Cは、Crと炭化物を形成もしくは母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。この効果は、Cの含有率が0.001%以上で発揮される。また、Cの含有率が0.1%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、炭化物の粗大化を抑制して高温強度の低下を抑える。そのため、Cの含有率を0.001〜0.1%とした。好ましいCの含有率は0.01〜0.1%であり、より好ましいCの含有率は0.04〜0.08%であり、さらに好ましいCの含有率は0.06〜0.08%である。
(8) C (carbon)
C forms carbides with Cr or forms a solid solution in the matrix, and causes solid solution strengthening of the matrix. This effect is exhibited when the C content is 0.001% or more. In addition, when the C content is 0.1% or less, a stable austenite structure is obtained, and the coarsening of the carbide is suppressed to suppress a decrease in high-temperature strength. Therefore, the C content is determined to be 0.001 to 0.1%. The preferable C content is 0.01 to 0.1%, the more preferable C content is 0.04 to 0.08%, and the still more preferable C content is 0.06 to 0.08%. It is.

(9)B(ホウ素)
Bは、Fe母相に固溶して、特に粒界偏析するため、粒界強化をもたらす。また、Bは、Tiを多く含む場合、η相の析出を抑制する効果がある。これらの効果は、Bの含有率が0.001%以上において発揮される。また、Bの含有率が0.01%以下において、母相の融点の低下を抑え、熱間加工性の低下を抑制する。そのため、Bの含有率を0.001〜0.01%とした。さらに好ましいBの含有率は、0.004〜0.006%である。
(9) B (Boron)
B dissolves in the Fe matrix, and particularly segregates at the grain boundaries, thereby strengthening the grain boundaries. Further, when B contains a large amount of Ti, it has an effect of suppressing precipitation of the η phase. These effects are exhibited when the B content is 0.001% or more. Further, when the B content is 0.01% or less, a decrease in the melting point of the parent phase is suppressed, and a decrease in hot workability is suppressed. Therefore, the B content is determined to be 0.001 to 0.01%. A more preferable content of B is 0.004 to 0.006%.

(10)Si(ケイ素)、Mn(マンガン)、P(リン)およびS(硫黄)
Si、Mn、PおよびSは、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を0%に近づけることが好ましい。
(10) Si (silicon), Mn (manganese), P (phosphorus) and S (sulfur)
Si, Mn, P and S are classified as inevitable impurities in the austenitic heat resistant steel of the embodiment. These inevitable impurities are preferably made to have a residual content as close to 0% as possible.

次に、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼、およびこのオーステナイト系耐熱鋼を用いて製造されるタービン部品の製造方法について説明する。   Next, an austenitic heat resistant steel according to an embodiment and a method for manufacturing a turbine component manufactured using the austenitic heat resistant steel will be described.

実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成する。そして、鋳塊に溶体化処理(固溶化熱処理)および時効処理を施して、オーステナイト系耐熱鋼が作製される。   The austenitic heat-resistant steel of the embodiment is manufactured as follows, for example. First, the composition components constituting the austenitic heat resistant steel are, for example, vacuum induction melted (VIM), and the molten metal is poured into a predetermined mold to form an ingot. Then, the ingot is subjected to a solution treatment (solution heat treatment) and an aging treatment to produce an austenitic heat resistant steel.

タービン部品であるタービンケーシングは、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、その溶湯をタービンケーシングの形状に形成するための型枠に注入し、大気鋳造して構造体を作製する。そして、構造体に溶体化処理および時効処理を施して、タービンケーシングが作製される。   A turbine casing that is a turbine component is manufactured, for example, as follows. First, the composition components constituting the austenitic heat-resisting steel are, for example, vacuum induction melted (VIM), the molten metal is poured into a mold for forming the shape of a turbine casing, and cast into the atmosphere to produce a structure. . And a solution casing process and an aging process are given to a structure, and a turbine casing is produced.

なお、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、電気炉溶解(EF)し、アルゴン−酸素脱炭(AOD)して溶湯としてもよい。   In addition, the composition component which comprises an austenitic heat-resisting steel is good also as, for example, carrying out electric furnace melting | dissolving (EF), argon-oxygen decarburization (AOD), and making a molten metal.

タービン部品である、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材は、例えば次のように作製される。まず、実施形態のオーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、エレクトロスラグ再溶解(ESR)し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製する。そして、この鋳塊を上記タービン部品の形状に対応する型に配置して圧延などの鍛造処理を施す。続いて、溶体化処理、時効処理などを施すことで、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材が作製される。   For example, the rotor blade, the stationary blade, the turbine rotor, and the screwing member, which are turbine parts, are manufactured as follows. First, for example, vacuum induction melting (VIM) and electroslag remelting (ESR) are performed on the composition components constituting the austenitic heat-resistant steel of the embodiment, and the ingot is cast into a predetermined mold in a reduced-pressure atmosphere. And this ingot is arrange | positioned to the type | mold corresponding to the shape of the said turbine components, and forge processes, such as rolling, are given. Then, a moving blade, a stationary blade, a turbine rotor, and a screwing member are produced by performing solution treatment, aging treatment, and the like.

なお、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、真空アーク再溶解(VAR)して溶湯としてもよい。また、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、エレクトロスラグ再溶解(ESR)し、真空アーク再溶解(VAR)して溶湯としてもよい。   In addition, the composition component which comprises austenitic heat-resisting steel is good also as a molten metal, for example by carrying out vacuum induction melting (VIM) and vacuum arc remelting (VAR). Moreover, the composition component which comprises austenitic heat-resisting steel is good also as a molten metal by carrying out vacuum induction melting (VIM), electroslag remelting (ESR), and vacuum arc remelting (VAR), for example.

タービン部品である配管は、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、真空誘導溶解(VIM)を行い溶湯とし、または電気炉溶解(EF)してアルゴン−酸素脱炭(AOD)を行い溶湯とし、円筒形の型を高速回転させた状態でこの溶湯を流し込む。続いて、回転の遠心力を利用して溶湯を加圧し、配管形状の構造体を作製する(遠心鋳造法)。そして、構造体に溶体化処理および時効処理を施して、配管が作製される。   Piping which is a turbine part is manufactured as follows, for example. First, the components constituting the austenitic heat-resisting steel are subjected to vacuum induction melting (VIM) to form a molten metal, or to electric furnace melting (EF) to perform argon-oxygen decarburization (AOD) to form a molten metal. The molten metal is poured while rotating at a high speed. Subsequently, the molten metal is pressurized using the centrifugal force of rotation to produce a pipe-shaped structure (centrifugal casting). And a solution treatment and an aging treatment are given to a structure, and piping is produced.

なお、タービン部品を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。   In addition, the method for producing the turbine component is not limited to the above-described method.

次に、溶体化処理および時効処理について説明する。   Next, solution treatment and aging treatment will be described.

溶体化処理は、加工歪の除去や整粒化、γ単相化を目的として実施される。溶体化処理では、処理部材を885〜995℃の温度に所定時間維持し、その後、室温まで急冷する。温度が885℃以上において、上記した効果が得られる。また、温度が995℃以下において、結晶粒の過度な粗大化が抑制される。急冷は、例えば、水冷や強制空冷などによって行われる。   The solution treatment is performed for the purpose of removal of processing strain, grain size adjustment, and γ single phase formation. In the solution treatment, the treatment member is maintained at a temperature of 885 to 995 ° C. for a predetermined time, and then rapidly cooled to room temperature. The effect described above can be obtained at a temperature of 885 ° C. or higher. Further, when the temperature is 995 ° C. or lower, excessive coarsening of crystal grains is suppressed. The rapid cooling is performed by, for example, water cooling or forced air cooling.

時効処理は、結晶粒内にγ’相を析出させ、高温強度を付与するために行われる。時効処理では、処理部材を700〜760℃の温度に所定時間維持し、その後、室温まで冷却する。温度が700℃以上において、γ’相が十分に析出する。また、温度が760℃以下において、γ’相の早期の粗大化による析出密度の減少が抑制される。冷却は、例えば、大気中における自然冷却などによって行われる。   The aging treatment is performed for precipitating a γ 'phase in crystal grains and imparting high temperature strength. In the aging treatment, the treatment member is maintained at a temperature of 700 to 760 ° C. for a predetermined time, and then cooled to room temperature. When the temperature is 700 ° C. or higher, the γ ′ phase is sufficiently precipitated. Further, when the temperature is 760 ° C. or lower, the decrease in the precipitation density due to the early coarsening of the γ ′ phase is suppressed. The cooling is performed by, for example, natural cooling in the atmosphere.

(線膨張係数、高温強度の評価)
ここでは、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼において、従来のオーステナイト系耐熱鋼の高温強度を維持しつつ、線膨張係数が低いことを説明する。
(Evaluation of linear expansion coefficient and high temperature strength)
Here, in the austenitic heat resistant steel of the embodiment, it will be explained that the linear expansion coefficient is low while maintaining the high temperature strength of the conventional austenitic heat resistant steel.

表1は、評価に用いられた試料1〜試料14の化学組成を示す。なお、試料1〜試料10は、本実施の形態の化学組成範囲にあるオーステナイト系耐熱鋼であり、試料11〜試料14は、その化学組成が本実施の形態の化学組成範囲にないオーステナイト系耐熱鋼であり、比較例である。   Table 1 shows the chemical compositions of Sample 1 to Sample 14 used for the evaluation. Samples 1 to 10 are austenitic heat resistant steels in the chemical composition range of the present embodiment, and samples 11 to 14 are austenitic heat resistant steels whose chemical compositions are not in the chemical composition range of the present embodiment. It is steel and is a comparative example.

Figure 2015086432
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試料1〜試料14のオーステナイト系耐熱鋼について、平均線膨張係数の測定およびクリープ破断試験を行った。   About the austenitic heat-resisting steel of sample 1 to sample 14, the measurement of the average linear expansion coefficient and the creep rupture test were performed.

それぞれの試験に使用する試験片は、次のように作製された。   The test piece used for each test was produced as follows.

表1に示す化学組成を有する試料1〜試料14のオーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を得るために必要な原材料を真空誘導溶解炉にて溶解し、それぞれ2kgの鋳塊を作製した。この鋳塊を熱間圧延によって板状部材に成形した。得られた板状部材に対して溶体化処理を施した。溶体化処理では、940℃の温度で30分間加熱し、その後、強制空冷によって室温まで急冷した。続いて、板状部材に対して時効処理を施した。時効処理では、760℃の温度で16時間加熱し、その後、大気中における自然冷却によって室温まで冷却した。   Raw materials necessary for obtaining the compositional components constituting the austenitic heat-resisting steels of Sample 1 to Sample 14 having the chemical compositions shown in Table 1 were melted in a vacuum induction melting furnace to produce 2 kg ingots. This ingot was formed into a plate-like member by hot rolling. The obtained plate-like member was subjected to a solution treatment. In the solution treatment, heating was performed at a temperature of 940 ° C. for 30 minutes, and then rapidly cooled to room temperature by forced air cooling. Subsequently, the plate member was subjected to an aging treatment. In the aging treatment, heating was performed at a temperature of 760 ° C. for 16 hours, and then cooled to room temperature by natural cooling in the atmosphere.

線膨張係数測定用の試験片およびクリープ破断試験用の試験片は、板材部材から応力軸が鍛伸方向に平行となるように採取した。   The test piece for measuring the linear expansion coefficient and the test piece for the creep rupture test were taken from the plate member so that the stress axis was parallel to the forging direction.

平均線膨張係数の測定は、各試料による試験片に対して、JIS Z 2285に準拠して実施された。クリープ破断試験は、各試料による試験片に対して、JIS Z 2271に準拠して実施した。700℃/10万時間クリープ破断強度は、試験温度を700〜800℃、試験応力を200〜400MPaの範囲で実施した破断時間1000時間程度の試験結果に基づいて、Larson-Miller法によって外挿することで求められた。平均線膨張係数および700℃/10万時間クリープ破断強度の試験結果を表2に示す。   The average linear expansion coefficient was measured in accordance with JIS Z 2285 for the test piece of each sample. The creep rupture test was performed based on JIS Z 2271 with respect to the test piece by each sample. The creep rupture strength at 700 ° C./100,000 hours is extrapolated by the Larson-Miller method based on the test result of about 1000 hours at a test temperature of 700 to 800 ° C. and a test stress of 200 to 400 MPa. It was sought after. Table 2 shows the test results of average linear expansion coefficient and 700 ° C./100,000 hours creep rupture strength.

Figure 2015086432
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表2に示すように、従来のオーステナイト系耐熱鋼である試料11〜試料14における平均線膨張係数は18×10−6/K以上である。これに対して、試料1〜試料10においては、クリープ破断強度は、試料11〜試料14と同程度であり、平均線膨張係数は、18×10−6/K以下である。すなわち、試料1〜試料10においては、従来のオーステナイト系耐熱鋼の高温強度を維持しつつ、線膨張係数の低減が実現されている。 As shown in Table 2, the average linear expansion coefficient in Samples 11 to 14 which are conventional austenitic heat resistant steels is 18 × 10 −6 / K or more. On the other hand, in sample 1 to sample 10, the creep rupture strength is comparable to that of sample 11 to sample 14, and the average linear expansion coefficient is 18 × 10 −6 / K or less. That is, in the samples 1 to 10, the linear expansion coefficient is reduced while maintaining the high temperature strength of the conventional austenitic heat resistant steel.

以上説明した実施形態によれば、高温強度を維持しつつ、線膨張係数を低減することが可能となる。   According to the embodiment described above, it is possible to reduce the linear expansion coefficient while maintaining high temperature strength.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

Claims (5)

質量で、Ni:24〜40%、Cr:5〜13%、Co:0.1〜12%、Nb:0.1〜5%、V:1〜14%、Ti:1.9〜2.35%、Al:0.35〜2%、B:0.001〜0.01%、C:0.001〜0.1%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とするオーステナイト系耐熱鋼。   By mass, Ni: 24-40%, Cr: 5-13%, Co: 0.1-12%, Nb: 0.1-5%, V: 1-14%, Ti: 1.9-2. 35%, Al: 0.35 to 2%, B: 0.001 to 0.01%, C: 0.001 to 0.1%, the balance being Fe and inevitable impurities Austenitic heat-resistant steel. 質量で、Vを2〜10%含有していることを特徴とする請求項1記載のオーステナイト系耐熱鋼。   2. The austenitic heat-resistant steel according to claim 1, which contains 2 to 10% of V by mass. 質量で、Cを0.01〜0.1%含有していることを特徴とする請求項1記載のオーステナイト系耐熱鋼。   The austenitic heat-resistant steel according to claim 1, which contains 0.01 to 0.1% of C by mass. 室温から700℃の温度における平均線膨張係数が、18×10−6/K以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のオーステナイト系耐熱鋼。 The austenitic heat-resistant steel according to any one of claims 1 to 3, wherein an average linear expansion coefficient at a temperature from room temperature to 700 ° C is 18 × 10 -6 / K or less. 請求項1乃至4のいずれか1項記載のオーステナイト系耐熱鋼を用いて、少なくとも所定部位が作製されたことを特徴とするタービン部品。   A turbine part, wherein at least a predetermined portion is produced using the austenitic heat-resistant steel according to any one of claims 1 to 4.
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