JPS583029B2

JPS583029B2 - テイゴウキンコウジクザイ

Info

Publication number: JPS583029B2
Application number: JP49148733A
Authority: JP
Inventors: 玉村建雄; 小泉正博; 中川雄策
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-12-27
Filing date: 1974-12-27
Publication date: 1983-01-19
Also published as: JPS5175613A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は新規な低合金鋼に係り、特に蒸気タービン用高
低圧ロータシャフト材に使用する低合金鋼に関する。

従来、蒸気タービンの高圧ロータシャフト材としては重
量でＣ０．２３〜０．２７％、Ｓｉ０．１５〜０．２５
％、Ｍｎ０．４５〜０．７５％、Ｃｒ０．９〜１．
２％、Ｍｏ１．１〜１．５％、Ｖ０．２〜０．３％、
Ｎｉ０．６０％以下を含む１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼
が用いられている。

この材料は高温のクリープ破断強度はすぐれているが，
低温切欠靭性の低いことが欠点である。

これは使用目的が高温用のため靭性はそれほど重要でな
かったためである。

しかし蒸気タービンの原価低減を目的としたシングルフ
ロータイプでは低圧最終段に長翼のブレードを使用する
ため出口側の蒸気温度がかなり低くなるので高靭性すな
わち具体的にはできるだけ低い破面遷移温度を有する材
料が必要となる。

また電力調整に伴う起動停止の繰返しが生ずるので低温
靭性を高くしてタービンの運転能率を高めて機能向上経
済性向上を計ることが当然重要になってくる。

本発明の目的は従来の１％Ｃｒ−１％、Ｍｏ−１／４％
Ｖ鋼の靭性改善を図り、蒸気タービン用高低圧兼用のタ
ービンロータ材として十分使用できる材質を提供するに
ある。

本発明は高温のクリープ強度を低下させずに１Ｃｒ−１
Ｍｏ−１／４Ｖ鋼の靭性を改善するものである。

すなわち、ロータシャフトは質量が大きいので焼入れす
る場合の冷却速度がかなり遅くなるが，特に高靭性を必
要とする軸の中心部は標準の焼入温度から水噴霧冷却を
行なっても平均冷却速度は約１００℃／ｈ程度であるた
め組織が不均一になり易い。

靭性を確保するためには熱処理後の組織がフエライトな
どが析出していない均一なベイナイト組織となっている
ことが必要である。

標準の１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼においては１００℃
／ｈで冷却すると、冷却曲線がこの材料のＣＣＴ曲線の
フエライトノーズを切るため、７７０℃付近で初析のフ
エライトを析出し、室温においては面積率で約１０〜２
０％のフエライトが存在するようになる。

このため焼もどし後の２ｍｍＶノツチシャルビー衝撃値
は普通たかだか０．８ｋｇ−ｍ／ｃｍ２以下である。

このため組織の均一化を目的として高温強度の低下をき
たさない範囲でＮｉを０．６％以下添加することにより
初析フエライト量の面積率は数パーセントに低下し，Ｖ
ノツチ衝撃値は０．９〜１．２Ｋｇ−ｍ／ｃｍ２に上
昇し，被面遷移温度は約１００℃程度に向上する。

しかしＮｉを更に増加すると高温のクリープ破断強度が
著しく低下してしまう。

本発明は高温強度を低下させることなく低温靭性を向上
させるために，標準の１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼に対
しＮｉを０．６１〜０．８５％Ｍｎを０．４５〜０．６
４％含有させ，かつその両者の総和が１．２〜１．３％
であることを特徴とするものである。

本発明によれば、焼入冷却速度１００℃においても均一
なベイナイト組織が得られ、Ｖノツチシャルビ衝撃値も
安定して１．６Ｋｇ−ｍ／ｃｍ２以上と、従来の約２
倍以上の値が得られ、破面遷移温度も９４℃以下に安定
し、しかもクリープ破断強度は従来と同程度の強度を保
持できることが明らかになった。

以下成分限定理由を説明する。

Ｃは、本発明鋼を蒸気タービン高圧ロータ材として用い
る場合高温におけるクリープ強度を高めるために添加す
るもので，０．２３％未満では強度が不足である。

逆に、０．２８％を越えると低圧ロータ材として用いる
場合，翼の大型化が必要であるため，切欠靭性が不足す
る。

従って、Ｃの含有量は０．２３〜０．２８％でなければ
ならない。

Ｓｉは通常脱酸剤として添加するものであり，Ｓｉを０
．１５％未満の歩留りにするように添加すると十分な脱
酸効果がなく，逆に、０．２５％を越えると常温におけ
る靭性を低下させる。

従って，Ｓｉの含有量は０．１５〜０．２５％としなけ
ればならない。

Ｐは不純物として鋼中に必ず含まれるものであり、出来
るだけ少ない方が鋼材の靭性を改善する。

しかし，Ｐ含有量が０．０１０％以下であれば鋼材の性
質に及ぼす影響はほとんどない。

Ｓは不純物として鋼中に必ず含まれるものであり，出来
るだけ少ない方が鋼材の靭性が優れている。

しかし、Ｓを皆無にするのは非常に困難である。

そこでＳの含有量が０．０１５％以下であればほとんど
鋼材の性質に影響を及ぼさない。

蒸気タービンロータは高温の蒸気にさらされるので、耐
食性の優れたものでなければならない。

Ｃｒは強度、耐食性を高めるために加えるものであり、
０．９％未満では耐食性が劣る。

また，１．２％を越えると，高温に長時間さらされた場
合、ＣｒはＣとの親和力が強いので、Ｃｒ炭化物を形成
し鋼材の切欠強度、クリープ強度を低下させる。

従って，耐食性及び強度が十分得られる０．９〜１．２
％としなければならない。

蒸気タービンロータのように大型の鋼材は焼入れ焼もど
し後急冷するのは非常にむずかしく、徐冷するとＮＣｒ
、Ｎｉ、Ｖ等を含む鋼はもろくなり切欠靭性が低下する
。

その焼もどし脆性を防止するためＭｏを添加する。

Ｍｏの含有量は１．１％未満では焼もどし脆性を防止す
る効果が少なく、１．５％を越えて含有させてもそれ以
上焼もどし脆性を防止する効果は小さいので、Ｍｏの含
有量は１．１〜１．５％としなければならない。

Ｖは高温におけるクリープ強度を向上させるために含有
するもので０．２％未満では効果が小さい。

またＶはＣとの親和力が強く，多量含まれると炭化物を
形成しクリープ破断強度を低める。

そこでＶの含有量は０．２〜０．３％としなければなら
ない。

本発明において従来の１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼に対
し含有するＮｉおよびＭｎのそれぞれの量はＮｉＯ．
６１〜０．８５％、Ｍｎ０．４５〜０．６４％の範囲
で更にその総和が１．２〜１．５％でなければならない
。

この総和が１．２％未満になると靭性が低＜，１．３％
を越えると高温クリープ破断強度が低下する。

またＮｉおよびＭｎを各々０．６１％及び０．４５％未
満又は各々０．８５％及び０．６４％より多量添加して
も高いクリープ破断強度が得られなくなる。

ＭｎよりもＮｉの方が破面遷移温度の降下およびクリー
プ破断強度に対して有効であるが、Ｎｉのみを多量添加
しても満足するクリープ破断強度は得られない。

本発明の軸材は溶解原料の一例として、鉄にダライ粉，
電解鉄を用い，添加元素としてＣに白銑、Ｃｒに電解Ｃ
ｒ又はフエロクローム，Ｎｉに電解Ｎｉ又Ｕフエロニッ
ケル、Ｖにフエロパナジウム，Ｍｏに電解Ｍｏ，Ｓｉ及
びＭｎに各々フエロシリコン、フエロマンガンを用い、
これらを配合し、大気中にて溶解・鋳造又は大気中にて
溶解し、減圧鋳造され、インゴットが形成される。

その後、プレス等により所定の形状に高温で塑性加工さ
れる。

加工後、所定の温度で加熱後急冷する焼入れ後，所定温
度で加熱保持する焼戻しが施され、更に機械加工によっ
て所定形状の軸が形成される。

以下実施例によって説明する。

第１表は実験に使用した試料の化学成分（重量％）を示
す。

Ｎｏ１〜３、６は比較鋼であり、Ｎｏ４および５は本発
明鋼である。

これらはいずれも減圧中溶解によって溶製されガス分析
の値は窒素２３〜３０、酸素６０〜７４、水素０．５〜
０．９ｐｐｍであり、非金属介在物は０．０５２〜０．
０６０％である。

鋳塊（１７Ｋｇ）は熱間鍛伸後、調質を行ってから焼入
温度９６０℃実体軸材の中心の冷却速度に合わせて平均
１００℃／ｈの遅い速度で冷却した。

その後６６０℃で２０時間保持の焼もどしを２回繰返し
て行ない、機械的性質を調べた。

第２表は機械的性質を示す。

引張試験は２０℃で行なった。

表中ＦＡＴＴは破面遷移温度である。比較鋼のＮｏ．１
〜３，６の引張強さは８３．１〜８３．５ｋｇ／ｍｍ２
であるのに対し、本発明鋼のＮｏ．４および５は８４．
９および８４．０ｋｇ／ｍｍ２ですぐれていることが認
められる。

２０℃におけるＶノツチシャルビ衝撃値に着目すると比
較鋼のＮｏ．１が０．９ｋｇ−ｍであるのに対し、Ｍｎ
とＮｉの総和が１．２％以上のＮｏ．４およびＮｏ．５
はすべてこれを上廻っている。

特に総和が１．６％以上のＮｏ．３は２．５ｋｇ−ｍと
いう極めて良好な値を示すことがわかった。

Ｎｏ．２はＭｎとＮｉの総和が１．０１％と低いにもか
かわらずＮｏ．１よりすぐれているのはＳｉの影響であ
る。

以上のことからＭｎとＮｉの総和を１．２４％としＳｉ
を低くすることによりＶノッチシャルピ衝撃値は１．６
Ｋｇ−ｍ以上、被面遷移温度は８４℃以下のすぐれた靭
性を示すことが確認された。

第１図は第１表に示す合金のうちＮｉ＋Ｍｎ量が１．２
２〜１．３０％の範囲にある合金についてＭｎ量とＦＡ
ＴＴとの関係を示す線図である。

図中のＮｏ．は第１表に示す合金のＮｏ．を示し、（
）内の数値はＮｉ＋Ｍｎ量を示すものである。

図に示す如く，本発明のＭｎ量０．４５〜０．６４％に
おいて破面遷移温度ＦＡＴＴが約８７℃以下であるすぐ
れた靭性を有することが認められる。

第３表は６４９℃で応力１６．２ｋｇ／ｍｍ２での高温
クリープ破断試験結果を示す。

比較鋼のＮｏ．１〜３，６においてＭｎとＮｉの総和を
増加させるとともに急激にクリープ破断時間が短くなっ
ている。

ＭｎとＮｉの総和を１．０１％と小さくしたＮｏ．２は
Ｎｏ．１と同等のクリープ破断強度を示した。

しかしＭｎとＮｉの総和を１．２４及び１．３％とした
Ｎｏ．４および５の本発明鋼はＮｏ．１と同程度で，す
ぐれた強度を示すこが確認された。

第２図は同じく第１表に示す合金について求めたＮｉ＋
Ｍｎ量とクリープ破断時間及び破面遷移温度ＦＡＴＴと
の関係を示す線図である。

図に示す如く、本発明のＮｉ＋Ｍｎ量１．２〜１．３％
では破断時間が長く，かつＦＡＴＴが低い所に位置して
いることが認められる。

図中のＮｏ．は第１表に示す合金のＮｏ．を示すもので
ある。

以上の結果からＭｎおよびＮｉの添加量を限定して組織
を改善すれば靭性を向上しクリープ破断強度も従来材と
同等の改良された高靭性タービン軸材を提供できること
が明らかとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭｎ量とＦＡＴＴとの関係を示す線図及び第２
図はＮｉ＋Ｍｎ量と破断時間及びＦＡＴＴとの関係を示
す線図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量でＣ０．２３〜０．２８％、Ｓｉ０．１５〜０
．２５％、Ｍｎ０．４５〜０．６４％、Ｐ０．０１
０％以下、Ｓ０．０１５％以下、Ｃｒ０．９〜１．２％
、Ｍｏ１．１〜１．５％、Ｖ０．２〜０．３％、Ｎｉ
０．６１〜０．８５％を含み，かつＮｉとＭｎの和が１
．２〜１．３％で残部が鉄からなることを特徴とする
低合金鋼軸材。