JPH01230723A

JPH01230723A - タービンロータの製造方法

Info

Publication number: JPH01230723A
Application number: JP5538688A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yamada; 政之山田; Yoichi Tsuda; 陽一津田; Daizo Saito; 斉藤　大蔵
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-03-09
Publication date: 1989-09-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はタービンロータの製造方法に係り、特に高温に
おけるクリープラブチャ強度に優れ、比較的低温におけ
る引張強度および靭性に優れた蒸気タービンロータの製
造方法に関する。

（従来の技術）一般に蒸気タービンにおいては、使用蒸気条件に応じて
異なる材質のロータが用いられている。

例えば、大型蒸気タービンにおいては高温・高圧側（た
とえば５６６℃近傍）で用いられるロータ材として、Ａ
ＳＴＭ−Ａ４７０　（ｃｌａｓｓ　８）に規定されてい
るように高温下ですぐれたクリープ破断強度を有するＣ
ｒＭｏＶ鋼が使用され、低圧側（たとえば３５０℃以下
）用ロータ材として、ＡＳＴＭ−Ａ４７０　（Ｃ１ａｓ
ｓ　２〜７）に規定されているような２．５％以上のＮ
ｉを有するＮｉＣｒＭｏＶｆｖ４が使用されている。そ
して、現状では、これら蒸気条件に対応した異なる材質
からなるロータを、各々機械的に接合して蒸気タービン
を構成している。

一方、比較的小型の蒸気タービンにおいては、通常、高
圧側から低圧側まで同一材料からなる一本のロータによ
り構成した高低圧一体型ロータが用いられている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、従来の蒸気タービンロータには次のような問
題がある。すなわち、従来の大型蒸気タービンにおいて
は、異なる材質からなる複数本のロータを接合してター
ビンを構成するため、製造工程が複雑になるという問題
がある。

また、小型蒸気タービンにおいて用いられている高低圧
一体型ロータ用材料としては、通常ＣｒＭｏＶｆＶ４や
ＮｉＣｒＭｏＶ鋼が用いられているが、従来使用されて
いるＣ　ｒ　Ｍ　ｏ　Ｖ鋼は引張強度の点で充分満足の
いくものではないため、低圧最終段に装着できる翼の大
きさが制限されるという問題がある。

さらに、従来のＮｉＣｒＭｏＶ鋼においては、引張強度
は優れているもののクリープ破断強度に欠け、また３５
０℃以上の温度域においてぜい化が進行しやすいという
問題がある。

このため、従来のロータ材では、高温蒸気を使用しかつ
長尺の低圧最終段具を装着することにより蒸気タービン
の効率向上を図ろうとする場合に大きな制限がある。

また、クリープ破断強度や靭性にすぐれ、しかも低温域
での引張強度にもすぐれたロータ材としては、既に１２
Ｃｒｆｔ４が開発されているが、１２Ｃｒ鋼は高価であ
るためこれをロータ材として用いると製造コストの増大
をもたらすという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する
問題点を解消し、比較的低温の蒸気条件ドにおいて高い
引張強度および靭性を有し、かつ、高温条件下において
クリープ破断強度が大きく、ぜい化の少ない蒸気タービ
ンロータの製造方法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は、重量比で、Ｃ０
，１０〜０．３５％、Ｓｉ０．３５％以下、Ｍｎ　　１
．　０９６以下、　Ｎｉ０．３〜２．５％、Ｃｒ１．５
〜３．５％、ＭＯ０．３〜１．５％、Ｖ０．０５〜０．
３０％、Ｗ０．１〜２．０％、さらに所望によりＮｂ０
．０１〜０．１５％、Ｔａ０．０１〜０．１５％、Ｎ０
．０１〜０．１０％、Ｂ０．００２〜０．０１５％のい
ずれか１　ｆ−ｉ以上を含有するＦｅ基合金で構成され
たタービンロータ形状素体を、１０００−１１５０℃の
範囲の温度まで加熱して焼鈍した後４９００〜９７０℃
の範囲の温度に加熱して焼入れ、さらに、６００〜７０
０℃の温度範囲で焼戻しすることを特徴とするものであ
る。

（作　用）この製造方法を適用することにより、比較的低温の蒸気
条件下において高い引張強度および靭性を有し、かつ、
高温条件下においても大きなりリープ破断強度、少ない
ぜい化を達成した。

次に、上記温度範囲を限定した理由について説明する。

焼鈍：　１０００〜１１５０℃ 焼鈍の目的は、粗大な炭化物を鋼の素地中に固溶させる
とともに、鍛造によって生ずる組織の不均一化を解消さ
せることにある。この目的を達成するには、ロータ素体
の肉厚１インチあたり１時間程度の間、１０００℃以上
の温度を保持して、全体を均一に加熱することが必要で
ある。しかしながら、１１５０℃よりも高い温度に加熱
すると、逆にオーステナイト結晶粒が粗大化してしまい
、後の焼入れ、焼戻しの各工程を経ても靭性を十分に回
復するのが困難となる。したがって、１０００〜１１５
０℃の温度範囲とし、上記目的が達成されたら徐冷する
こととした。

焼入れ＝９００〜９７０℃ 焼入れの際にも、本鋼種の素地をオーステナイト化して
炭化物を素地中に固溶させることが必要であるが、すで
に焼鈍を経ているため、焼鈍時よりもやや低めの温度に
加熱するのが妥当である。

実験においては９００℃未満では炭化物の固溶が十分で
なく、それによってラブチャ強度が低下することが確認
された。また、９７０℃よりも高いと結晶粒の粗大化が
認められ、それによって靭性が低下することが確認され
た。そこで、９００〜９７０℃の温度とする。なお、加
熱後の保持時間は焼鈍の場合と同様に、ロータ素体の肉
厚１インチあたり１時間程度とし、タービンロータ素体
がなるべく均一な温度となるようにするのが望ましい。

焼入冷却速度に関しては、空冷あるいは必要に応じて、
油冷、水冷（水スプレー噴霧）とすることができる。

焼戻し２６００〜７００℃ 焼戻しは、焼入硬化した材料に靭性・延性を回復させる
ために行う処理であるが、本鋼種の場合６００℃未満で
は十分な靭性が得られず、また７００°Ｃを越えると逆
に軟化して、常温における引張強度が低下する。したが
って、上記温度範囲６００〜７００℃にて行うこととす
る。加熱保持時間は、強度と靭性・延性の十分なバラン
スがとれるような最適時間とする。

次に、上記製造方法に好適なタービンロータ用鋼の組成
およびそれらの構成比を限定した理由につき説明する。

なお、数字は重量比である。

Ｃ：０．１０〜０．３５％炭素は焼入性を向上し、また引張強度を高めるのに寄与
する元素であるが、本発明においては高温で地鉄中に固
溶してオーステナイト組織とし、さらに炭化物を形成す
るのに必要である。構成比は０．１０％未満では好まし
くないフェライトが生成し、０．３５％を越えると、靭
性が低下するため０．１０〜０．３５％とするが、好ま
しくは０．１５〜０，３０％である。

Ｓｉ：０．３５％以下ケイ素は、溶解時に脱酸剤として添加されるが、多量に
添加するとその一部が酸化物として鋼中に残留し、靭性
に悪影響を及ぼす。したがって、添加量は０．３５％以
下とするが、経年脆化をできるたけ抑制する意味から好
ましくは０．１０％以下である。

Ｍｎ：１．０％以下マンガンは、溶解時に脱硫剤として添加されるが、その
効果を得るためには、１．０％以下の添加量で十分であ
る。また、原材料を十分に選定したり、さらに炉外精練
等の工程を入れて、イオウを極低レベルに抑えた場合は
、マンガンによる脱硫作用は不要になるため、マンガン
は０．１０％以下が好ましい。

Ｎｉ：０．３〜２．５％ニッケルは、鋼の焼入性を増し、引張強度や靭性を高め
るのに有効な元素であり、タービンロータとして必要な
引張強度を得るためには、０．　３％以上添加すること
が必要である。しかし、２．５％を越えて添加すると、
逆にクリープ破断強度の低下や、脆化が促進される傾向
があるので０．３〜２．５％とするが、好ましくは１．
０〜２．０％である。

Ｃｒ：　　１．５〜３．５％クロムは、鋼の焼入性を増し、引張強度を高めるのに有
効な元素であり、タービンロータとして必要な引張強度
を得るためには、１，５％以上添加することが必要であ
る。しかし、３．５％を越えて添加するとタービンロー
タのジャーナル特性が低下するので１，５〜３．５％と
するが、好ましくは２．０〜３．０％である。

Ｍｏ：０．３〜１．５％モリブデンは、鋼の焼入性、引張強度ならびにクリープ
破断強さを高めるのに有効な元素であり、その効果を発
揮させるためには、０．　３％以上の添加が必要である
。しかし、１．５％を越えて添加すると靭性が低下する
ので０．　３〜１．５％とするが、好ましくは０．７〜
１．２％である。

Ｖ：０．０５〜０．３０％バナジウムは、鋼の焼入性、クリープ破断強さを高める
のに有効な元素であり、また、結晶粒の微細化を達成す
るのに効果がある。その効果を発揮させるためには０，
０５％以上の添加が必要である。しかし、０．３０％を
越えて添加すると、靭性が低下するので０．０５〜０，
３０％とするが、好ましくは、０．１０〜０．２５％で
ある。

Ｗ：０．１〜２．０％タングステンは、固溶体強化により、高温強度の向上に
必要な元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分
でなく、また、２．０％を越えるとクリープ破断強度や
靭性を低下させるので、０．１〜２．０％とするが、好
ましくは、０．３〜１．０％である。

さらに、上記成分に加えて、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎ、Ｂを添加
することにより、引張強度、靭性、クリープ破断強度を
さらに一層向上させることができる。以下に、各合金元
素の構成比を限定した理由につき説明する。

Ｎｂ：　　０．０１〜０，１５％ニオブは、結晶粒の微細化に効果のある元素であり、そ
の効果を発揮させるためには、０．０１％以上の添加が
必要である。しかし、０．１５％を越えて添加すると逆
に粗大な炭化物を形成して、靭性を低下させるので０．
０１〜０．１５％とするが、好ましくは、０，０３〜０
．１０％である。

Ｔａ　：　　０．０１〜０．１５９６タンタルは、ニオブと同様の働きをする元素であり、０
．０１〜０，１５％とするが、好ましくは０，０３〜０
．１０％である。

Ｎ：０．０１〜０．１０％窒素は、引張強度やクリープ破断強度を高めるのに有効
な元素であり、０．０１〜０．１０％添加とするが、好
ましくは０．０３〜０．０７％である。０．０１％未満
では、その効果が乏しく、一方、０．１０％を越えて添
加すると靭性が低下するので好ましくない。

Ｂ：　　０．００２〜０．０１５％ボロンは、焼入性を向上させるとともに、クリープ破断
強度を向上させるのに必要な元素で、その効果を得るた
めには０．００２％以上の添加が必要であるが、逆に０
．０１５％を越えて添加すると、ロータ製造時に鍛造割
れが生じ易くなるので、この範囲とするが、好ましくは
０．００３〜０．０１０％である。

なお、上記に含まれないＦｅ以外のその他の付随的不純
物が含まれることがある。たとえばＰｌＳなどであり、
通常の冶金的手段により除くことができない程度の量で
あるが、できるだけ少ない方が望ましい。

（実施例）本発明は、以下に示す実施例および比較例についての実
験結果からさらに明瞭に理解される。

熱処理を行うべき試料は、第１表に示すような合金組成
となるよう配合した原料を電弧炉で溶製し、脱酸処理後
真空造塊を行った後、円柱状に鍛造してタービンロータ
形状素体のモデルとして形成したものである。

このタービンロータ形状素体は、直径６００ｍｍ、長さ
１．０００ｍｍで形成され、実際のタービンロータ形状
素体の一部をあられすモデルとして十分な大きさに形成
されている。かかるタービンロータ形状素体のモデルに
、第１表に記載したように、１〜■の熱処理を施した。

Ｉ〜■の熱処理は第１図に示され、ここでＦＣは炉冷を
、ＡＣは空冷を示している。

第１表記載の合金組成と熱処理との組合せは、本発明の
実施例並びに参考に供するために行った比較例である。

すなわち、第１表の実施例１〜実施例７は、本発明の製
造方法に好適なタービンロータ用組成材に、１０００〜
１１５０℃の温度からの焼鈍、９００〜９７０℃の温度
からの焼入れ、および６００〜７００℃の温度での焼戻
しの一連の熱処理を施したものである。

これに対し、比較例１は、単なる高温用ＣｒＭｏＶ系鋼
であって本発明と相違する組成のものに、本発明よりも
焼入温度の高い従来より行われていた熱処理ｌを施した
ものである。比較例２は、比較例１と同等組成材を、本
発明に包含されうる熱処理■を施したものである。同様
に、比較例３は、単なる低温用Ｎ　ｉ　ＣｒＭｏＶ系鋼
であって、本発明と相違する組成のものに、本発明より
も焼入温度の低い従来より行われていた熱処理■を施し
たものである。また、比較例４は、比較例３と同様組成
材に対して本発明に包含されうる熱処理■を施したもの
である。

こうして熱処理を施したタービンロータ形状素体のモデ
ルから試験片を切り出し、引張試験、衝撃試験、クリー
プ破断試験および脆化試験（ステップクール法）を行っ
た。

第２表は、常温における引張試験およびシャルピー衝撃
試験の結果を示すものである。

この表から、本発明に係る実施例１〜７は、比較例１〜
４に示す従来材と同等もしくはそれ以上の引張強度、耐
力、伸び、絞りを示し、比較的低い温度での機械的性質
を十分に備えていることが理解される。特に、比較例１
．２に比べると強度の向上が著しく、ＦＡＴＴ　（延性
−脆性破面遷移温度）も低圧タービンロータ材としての
比較例３に近く、低いものとなっている。なお、比較例
４は、従来の低圧タービンロータの組成材に対して、本
発明に係る高温の熱処理を施したものであるため、延性
・靭性が極端に低下している。

第３表は、試験温度６００℃、負荷応力１４ｋｇ　ｆ　
／　ｍｔＡ、１７　ｋｇ　ｆ　／ｍ１ｒ（７）　２種類
ツクリーフ破断試験を行った結果を示している。

この表において、本発明に係る実施例１〜７はいずれも
優れたクリープ破断強度を示し、従来の高温用タービン
ロータ材としての比較例１と比べても、遜色のない特性
を有している。また、他の比較例２〜４と比べると極め
てクリープ破断強度が優れている。さらに、クリープ延
性を示す伸び、絞りも十分満足しうる結果となっている
。

第４表は、長時間脆化に対する感受性を評価したもので
、各試験片を第２図に示すステップクール法と呼ばれる
熱処理で加速して脆化させた後、衝撃試験を行った結果
を示している。

／第４表この表において、ΔＦＡＴＴは、ステップクール法によ
って加速脆化させる前後のＦＡＴＴの差を示し、脆化量
を示す指標となっている。すなわち、このΔＦＡＴＴが
小さいほど脆化しにくい。

本発明に係る実施例１〜７は、脆化量ΔＦＡＴＴが小さ
く、またＦＡＴＴが低いため、従来と同程度の環境下で
長期間使用することが可能になる。

〔発明の効果〕

上記の説明から明らかなように、本発明によれば、低温
における強度、靭性に優れ、かつ高温におけるクリープ
破断強度に優れ、しかも脆化の少いタービンロータ形状
素体を得ることができる。

この素体により形成したタービンロータは低圧段側に長
翼のものとして使用可能であり、また高温蒸気環境下で
の使用も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱処理の工程を示す模式図、第２図は加速脆
化を行うための熱処理工程を示す模式図である。１−Ｖ・・・熱処理の種類、ＦＣ・・・炉冷、ＡＣ・・
・空冷。出１りｈ人代理人　　佐　　藤　　−雄焼鈍　　　焼入
ボ　　　　焼戻り第　１　図

Claims

【特許請求の範囲】１、重量比で、Ｃ　０．１０〜０．３５％、Ｓｉ　０．
３５％以下、Ｍｎ　１．０％以下、Ｎｉ　０．３〜２．
５％、Ｃｒ　１．５〜３．５％、Ｍｏ　０．３〜１．５
％、Ｖ　０．０５〜０．３０％、Ｗ　０．１〜２．０％
を含むＦｅ基合金で構成されたタービンロータ形状素体
を、１０００〜１１５０℃の範囲の温度まで加熱して焼
鈍した後、９００〜９７０℃の範囲の温度に加熱して焼
入れ、さらに、６００〜７００℃の温度範囲で焼戻しす
ることを特徴とするタービンロータの製造方法。２、前記タービンロータ形状素体には、さらに重量比で
、Ｎｂ　０．０１〜０．１５％、Ｔａ０．０１〜０．１
５％、Ｎ　０．０１〜０．１０％、Ｂ　０．００２〜０
．０１５％のうちいずれか１種以上が含まれていること
を特徴とする請求項１記載のタービンロータの製造方法
。