(57)【要約】【課題】製造コストの高騰、製造時間の長期化を生じることなく、適正強度、靭性を有するタービンロータ及びタービンロータの製造方法を提供する。【解決手段】高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して構成されたタービンロータにおいて、前記高温用ロータ材が、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である高Ｃｒ鋼で形成され、前記高温用ロータ材と低温用ロータ材を溶接する溶加材が、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材である。【選択図】図１
2010090805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して構成されたタービンロータにおいて、
前記高温用ロータ材が、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である高Ｃｒ鋼で形成され、
前記高温用ロータ材と低温用ロータ材を溶接する溶加材が、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材であることを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
前記低温用ロータ材が、２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成され、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項３】
前記低温用ロータ材が、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成され、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項４】
高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して接合するタービンロータの製造方法において、
前記高温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である高Ｃｒ鋼で形成し、
前記高温用ロータ材と低温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材で溶接により接合することを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項５】
前記低温用ロータ材を２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成し、
前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【請求項６】
前記低温用ロータ材を３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成し、
前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータ及びタービンロータの製造方法に関するものであり、特に蒸気タービンに用いて好適なタービンロータ及びタービンロータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン用ロータを製造するに際して、そのロータ材料は蒸気タービン内の温度分布に対する高温強度の観点から選定される。具体的には５６６℃を超える高温領域では０．０２％以上の窒素を含有させて強化された１０％Ｃｒ鋼又はＷ（タングステン）を含有する１０％Ｃｒ鋼（高Ｃｒ鋼）などが用いられ、５６６〜３８０℃の中間領域では１〜２．２５％ＣｒＭｏＶ低合金鋼が用いられ、さらに３８０℃未満の低温領域では３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼からなるタービンロータが用いられている。また、高温領域と中低温領域が共存する環境では、高温領域に対応する強度を有する高Ｃｒ鋼からなる一体型タービンロータが用いられている。
【０００３】
しかしながら、前記高Ｃｒ鋼は高コスト材料であり、高温領域と中低温領域が共存する環境で使用されるタービンロータ全体を高Ｃｒ鋼で形成することはコスト面での負担が大きい。
そこで、蒸気タービン内で高温領域と中低温領域が共存する蒸気タービンに使用され、蒸気タービン内の環境温度が中低温領域である位置に配されるタービンロータ部位は安価な前記低合金鋼で形成し、蒸気タービン内の環境温度が高温領域である位置に配されるタービンロータ部位は高温強度に優れた前記高Ｃｒ鋼で形成した異鋼種溶接ロータが提案されている。
【０００４】
前記異鋼種溶接ロータとして、例えば特許文献１には高Ｃｒ鋼ロータと低Ｃｒ鋼ロータとをＣｒ鋼含量が質量％で１．０〜３．５％である溶加材を用いて溶接したタービンロータが開示されている。
しかしながら特許文献１に開示されたような従来の高Ｃｒ鋼ロータ材と低Ｃｒ鋼ロータ材を溶接したタービンロータにおいては、通常高Ｃｒ鋼には高温強度を上げるために質量％で０．０２％以上の窒素が含有されているが、高Ｃｒ鋼である１０％Ｃｒ鋼又はＷを含有する１０％Ｃｒ鋼と低Ｃｒ鋼とを溶接した際に、前記高Ｃｒ鋼に含有される窒素により溶加材中に微小なブローホールが発生しやすいという問題がある。
特に低Ｃｒ鋼の溶加材を使用すると、溶加材中のＣｒ含量が少ないために溶加材の窒素の溶解度が低く、微小なブローホールが発生しやすいことが確認されている。タービンロータは高速回転体であり繰り返し疲労を受ける欠陥は許容されず、微小なブローホールであっても集合すると問題となるためブローホールのない安定した溶接継手が必要である。
【０００５】
また、溶接後に施す熱処理によって、溶接部及び溶接による熱影響部の硬さ、靭性及び強度を適正に設定することが必要である。該熱処理は、高Ｃｒ鋼の場合には溶接後の熱処理温度は遅れ割れを防止する観点から６６０〜６７０℃に設定され、低合金鋼の場合には溶接後の熱処理温度は６２０〜６３０℃に設定され両者の熱処理温度は相違する。熱処理温度を高Ｃｒ鋼に合わせて熱処理温度を６６０〜６７０℃に設定すると低合金鋼の強度が低下する場合があり、熱処理温度を低合金鋼に合わせて６２０〜６３０℃に設定すると高Ｃｒ鋼の熱影響部の硬さがヴィッカース硬さでＨＶ３５０以上と硬くなる場合がある。高Ｃｒ鋼の硬さがＨＶ３５０を超えると、タービン使用中に遅れ割れを生じることがあるため、高Ｃｒ鋼の熱影響部の硬さがＨＶ３５０以下となるように設定する必要がある。
【０００６】
そこで、例えば１２％Ｃｒ鋼（広義には１０％Ｃｒ鋼）からなる高温用ロータ材と低合金鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して異鋼種ロータを製造する際に、前記高温用ロータ材に適正材料の肉盛溶接を施して中間材に形成する工程と、該中間材を有する高温用ロータ材を高温熱処理する工程と、前記中間材に前記低温用ロータ材を溶接する工程と、これらの高温用ロータ材及び低温用ロータ材の全体に低温熱処理する工程とにより低合金鋼の強度低下やタービンの使用中の遅れ割れが生じることなく、母材、継手ともに適正強度、靭性を有する異鋼種ロータを製造する技術が、特許文献２に開示されている。
しかしながら、特許文献２に開示された技術においては、肉盛溶接と２回の熱処理が必要であるため、製造コストの高騰、製造時間の長時間化が課題となる。
【０００７】
また、高温用ロータ材が９％Ｃｒ鋼（広義には１０％Ｃｒ鋼）、低温用ロータ材が１％Ｃｒ鋼で形成されており、９％Ｃｒ系溶加材を用いて前記高温用ロータ材と低温用ロータ材を溶接し、６２５〜６５５℃で熱処理することで、肉盛溶接が不要であり、適正強度、靭性を有する異鋼種ロータを製造する技術が特許文献３に開示されている。しかしながら、特許文献３に開示された技術においても微小ブローホールが発生する場合があることに加え、低Ｃｒ鋼として１％Ｃｒ鋼を用いているためクリープ強度が不足するという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−９３６６８号公報
【特許文献２】特開２００１−１２３８０１号公報
【特許文献３】特開２００３−４９２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
つまり、特許文献１に開示された技術においては、高温強度を上げるために質量％で０．０２％以上の窒素が含有された高Ｃｒ鋼ロータ材と低Ｃｒ鋼ロータ材とを直接溶接する場合、前記高Ｃｒ鋼に含有される窒素により、溶加材中に微小なブローホールを生じうるという課題がある。なお、前記溶接に用いる溶加材を低Ｃｒではなく、仮に９Ｃｒ鋼などの高Ｃｒ鋼とするとブローホールは生じにくくなるが、完全に生じなくなるわけではなく課題は解決できない。
【００１０】
また、特許文献２に開示された技術においては、肉盛溶接と２回の熱処理が必要であるため、製造コスト、製造時間の面で課題がある。
【００１１】
また、特許文献３に開示された技術においては、９％Ｃｒ鋼と１％Ｃｒ鋼を使用する異鋼種ロータが高中温度領域で使用する高中圧タービンの場合には、１％Ｃｒ鋼の熱影響部で生じうる細粒組織域が高温でのクリープ強度が低いという課題がある。
【００１２】
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、溶接及び熱処理回数が１回でよいために製造コストの高騰、製造時間の長期化を生じることなく、適正強度、靭性を有するタービンロータ及びタービンロータの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、溶加材として窒素含有量を０．０２５％以下とした９％Ｃｒ鋼を使用すると微小なブローホールの発生を防止できることを確認し、課題を解決することができるタービンロータ及びタービンロータの製造方法を発明した。
【００１４】
上記課題を解決するため本発明においては、高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して構成されたタービンロータにおいて、前記高温用ロータ材が、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である高Ｃｒ鋼で形成され、前記高温用ロータ材と低温用ロータ材を溶接する溶加材が、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材であることを特徴とする。
【００１５】
前記溶加材を、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系とすることで、窒素が０．０２％以上含有された高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接しても微小なブローホールの発生を防止することができる。
【００１６】
また、前記低温用ロータ材が、２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成され、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする。
異鋼種溶接継手のクリープ破断位置は低合金鋼側に生じる細粒組織の熱影響部であり、クリープ強度は低合金鋼の種類と細粒組織の状態に支配される。そのため、前記低温用ロータ材を１％Ｃｒ鋼材よりもクリープ強度の高い２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成することで十分なクリープ強度を確保することができる。また、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材を用いて溶接し、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることで、前記高温用ロータに遅れ割れが生じることなく、適正なタービンロータが得られる。さらに肉盛溶接の必要が無いため、溶接回数、熱処理回数も１回でよく製造コストの高騰、製造時間の長期化という問題は発生しない。
【００１７】
また、前記低温用ロータ材が、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成され、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする。
さらに、前記低温用ロータ材を３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成し、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材を用いて溶接し、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることで、前記高温用ロータに遅れ割れが生じることなく、適正な強度を確保することができるタービンロータが得られる。さらに肉盛溶接の必要が無いため、溶接回数、熱処理回数も１回でよく製造コストの高騰、製造時間の長期化という問題は発生しない。
【００１８】
さらに、課題を解決するためのタービンロータの製造方法の発明として、
高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して接合するタービンロータの製造方法において、前記高温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である高Ｃｒ鋼で形成し、前記高温用ロータ材と低温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材で溶接により接合することを特徴とする。
【００１９】
前記低温用ロータ材を２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成し、前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする。
【００２０】
前記低温用ロータ材を３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成し、前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
以上記載のごとく本発明によれば、製造コストの高騰、製造時間の長期化を生じることなく、適正強度、靭性を有するタービンロータ及びタービンロータの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（溶加材の選定）
本発明者は、従来の異鋼種溶接継手に発生する微小ブローホールの発生原因を詳細に検討した。従来より溶接部のブローホールは一酸化炭素が原因となることが多いと考えられていたが、前記微小ブローホールはブローホール内部ガスを分析した結果、窒素ガスであることが判明した。
図４は１６００℃における溶鉄中のＮの溶解度に及ぼす合金元素の影響を表すグラフである（日本鉄鋼協会編、第３版  鉄鋼便覧  第１巻基礎、（１９８１）、Ｐ．４１７）。横軸は溶鉄中に含まれる合金元素濃度（ｗｔ％）であり、縦軸はＮの溶解度（ｗｔ％）を示している。図４から溶鉄中のＣｒ含量が多いほどＮの溶解度は高いことが分かる。
質量％で０．０２％の窒素で強化された高Ｃｒ鋼と低合金鋼との溶接継手を肉盛溶接をせずに、Ｃｒ鋼溶加材で溶接を行うと、前記高Ｃｒ鋼側の前記強化のために含有された窒素が溶加材に溶け込むが、溶加材中の窒素の溶解度は図４に示したようにＣｒの含有量に依存する。そのため、溶加材に低Ｃｒ鋼を用いると、溶加材中のＣｒ含量が低いため窒素の溶解度が小さく、溶解度以上の窒素はガスとなり、溶接中に溶融池から逸散できなかった窒素ガスがブローホールとなる。
よって、Ｃｒ含量の高い溶加材を用いる必要があり、溶加材として前記高Ｃｒ鋼に近いＣｒ含量を有する９％Ｃｒ系溶加材を用いることとした。
【００２３】
しかし、９％Ｃｒ系溶加材を用いても微小ブローホールを生じることがある。これは、一般に入手できる９％Ｃｒ系溶加材には微量の窒素が含まれていることが多く、この窒素と高Ｃｒ鋼に含まれる窒素が溶接金属中に溶け込み、その量が多いと微小ブローホールが生じるためと考えられる。
【００２４】
そこで、窒素含有量が異なり他の成分の含量は略同じである９％Ｃｒ系溶加材を試料１〜７の７種類試作し、高Ｃｒ鋼と２．２５ＣｒＭｏＶ鋼からなる溶接継手の溶接を行い、超音波探傷試験により溶接金属内における微小ブローホールの発生状況を調べた。結果を表１にまとめる。表１において数値は試料中の各成分の含量（質量％）を表す。表１から明らかであるように、溶加材中の窒素含量が質量％で０．０２５％以下であるとき微小ブローホールは発生しなかった。従って、窒素含量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材を用いると、ブローホールの発生を防止できることが確認できた。
【００２５】
【表１】
2010090805.tif 000003
【実施例】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２７】
（タービンロータの製造）
図１は本発明により製造されたタービンロータの断面図であり、図２は図１における溶接部８近傍の拡大図である。図１に示すように高Ｃｒ鋼である１０％Ｃｒ鋼又はＷを含有する１０％Ｃｒ鋼材からなる高温用ロータ材４と、低Ｃｒ鋼である２．２５％ＣｒＭｏＶ鋼又は３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる低温用ロータ材６とを突き合わせ、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材を用いて例えばアーク溶接することにより、高温用ロータ材４と低温用ロータ材６との間に溶接部１０を形成する。
前記高温用ロータ材４に用いられる１０％Ｃｒ鋼又はＷを含有する１０％Ｃｒ鋼材、低温用ロータ材６に用いられる２．２５％ＣｒＭｏＶ鋼又は３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼、及び９％Ｃｒ系溶加材として、例えば表２に示す組成範囲が挙げられ、本実施例においては同じく表２に示した実施例の組成の材料を用いた。
【００２８】
【表２】
2010090805.tif 000004
【００２９】
前記低温用ロータ材６が２．２５ＣｒＭｏＶ鋼である場合、６２５〜６５０℃の温度範囲で４０〜６０時間熱処理を実施することで、高温用ロータ材をヴィッカース硬さでＨＶ３５０以下にする。特に、高温用ロータ材が１０％Ｃｒ鋼又はＷを含有する１０％Ｃｒ鋼である場合には、ＨＶ硬さを３５０以下とするためには熱処理時間を長時間保持することが好ましく、６０時間とすることが特に好ましい。
図８はヴィッカース硬さと遅れ割れ発生領域を示すグラフである（ターボ機械協会  ５３回セミナー資料（２００１年）「蒸気タービンの腐食とエロージョンについて」伊東眸）。図８から明らかであるように、ヴィッカース硬さＨＶが３５０以下であれば高温用ロータ部材にかかる応力が高くても遅れ割れは発生せず、ヴィッカース硬さＨＶが３５０を超えるとかかる応力が低くても遅れ割れが発生する。従って前記６２５〜６５０℃の温度範囲で４０〜６０時間熱処理を実施してヴィッカース硬さＨＶを３５０以下とすることで、遅れ割れを生じさせないタービンロータを製造することができる。
【００３０】
また、前記低温用ロータ材６が３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼である場合、５９５〜６２０℃の温度範囲で４０〜６０時間熱処理を実施することで、高温用ロータ材をヴィッカース硬さでＨＶ３５０以下にすることができる。
【００３１】
（評価）
図３に示すように、前記表２に示す実施例の組成の高温用ロータ材４と低温用ロータ材６とをそれぞれ切削により開先加工した後、表１に示す９％Ｃｒ系溶加材を用いてこれらの部材４、６間に溶接部１０を形成した。続いて溶接部１０により形成された前記ロータ材４、６を前述の温度及び時間で熱処理を施して溶接継手を製造した。
【００３２】
前記溶接継手について図３に示すように厚さの１／２の箇所から試験片１２を採取し、試験温度一定の元でクリープ試験を実施した。クリープ試験は、以下の２種類の溶接継手を製造して行った。
試験片１、高温用ロータ材：１０％Ｃｒ鋼、低温用ロータ材：２．２５％ＣｒＭｏＶ鋼
試験片２、高温用ロータ材：Ｗ含有１０％Ｃｒ鋼、低温用ロータ材：２．２５％ＣｒＭｏＶ鋼
また比較例として、
試験片３、高温用ロータ材：１０％Ｃｒ鋼、低温用ロータ材：１％ＣｒＭｏＶ鋼
の試験片を作成し、これについても試験温度一定の元でクリープ試験を行った。
結果を図５に示す。図５において縦軸は応力、横軸はクリープ試験温度と破断時間に応じて決まる値であり、試験温度一定の元でクリープ試験を行っているので、図５においては破断時間の指標となる値である。図５に示したように、本実施例においては、低温用ロータ材に１％ＣｒＭｏＶ鋼を用いた比較例よりもクリープ強度の向上が成されていることが確認できた。
【００３３】
さらに前記試験片１、２について硬さ分布を測定した。結果を図６に示す。図６において縦軸はヴィッカース硬さＨＶ、横軸は低温用ロータ材６の定点からの距離を示している。図６から明らかであるように、得られた溶接継手は１０％Ｃｒ鋼又はＷを含有する１０％Ｃｒ鋼、その熱影響部、溶接部、２．２５%ＣｒＭｏＶ鋼、その熱影響部何れの箇所においてもＨＶ３５０以下を示していることが確認できた。
【００３４】
さらに、以下の試験片４についても前記試験片１、２と同様に硬さ分布を測定した。
試験片４、高温用ロータ材：１０％Ｃｒ鋼、低温用ロータ材：３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼
結果を図７に示す。試験片４においても、試験片１、２と同様に何れの箇所においてもＨＶ３５０以下を示していることが確認できた。
【００３５】
また、前記試験片１、２、４について、０．２％耐力、引張強さを測定した。その結果を表３に示す。さらにその熱影響部、溶接部の衝撃特性（室温における吸収エネルギー及び５０％破面遷移温度）を調べた。その結果を表４に示す。なお、表３及び表４中における仕様値とは、製造されたタービンロータが問題なく使用されるために満足する必要のある範囲を表している。
【００３６】
【表３】
2010090805.tif 000005
【００３７】
【表４】
2010090805.tif 000006
【００３８】
表３から明らかなように得られた溶接継手及びその構成母材の０．２％耐力及び引張強さの実測値は全て仕様値を満たしており、ロータに必要な強度レベルを満足していることがわかる。また、表４から明らかなように得られた溶接継手の母材、溶接部等は仕様値を十分満足する衝撃特性を有することがわかる。
【００３９】
以上のことから、本発明によって得られたタービンロータは溶接及び熱処理が１度であるため製造コストの高騰、製造時間の長期化を生じることなく、適正強度、靭性を有しているといえる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
製造コストの高騰、製造時間の長期化を生じることなく、適正強度、靭性を有するタービンロータ及びタービンロータの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明により製造されたタービンロータの断面図である。
【図２】図１における溶接部近傍の拡大図である。
【図３】実施例における継手を示す断面図である。
【図４】１６００℃における溶鉄中のＮの溶解度に及ぼす合金元素の影響を表すグラフである。
【図５】溶接継手のクリープ破断試験結果を示す特性図である。
【図６】実施例における溶接継手を含む測定箇所における硬さを示す特性図である。
【図７】実施例における別の溶接継手を含む測定箇所における硬さを示す特性図である。
【図８】ヴィッカース硬さと遅れ割れ発生領域を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
２    タービンロータ
４    高温用ロータ材
６    低温用ロータ材
１０    溶接部
１２    試験片
【図１】
2010090805.tif 000007
【図２】
2010090805.tif 000008
【図３】
2010090805.tif 000009
【図４】
2010090805.tif 000010
【図５】
2010090805.tif 000011
【図６】
2010090805.tif 000012
【図７】
2010090805.tif 000013
【図８】
2010090805.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成21年2月6日(2009.2.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して構成されたタービンロータにおいて、
前記高温用ロータ材が、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である下記（１）の化学組成からなる１０Ｃｒ鋼または下記（２）の化学組成からなるＷ含有の１０Ｃｒ鋼で形成され、前記高温用ロータ材と下記（３）または下記（４）の化学組成からなる前記低温用ロータ材を溶接する溶加材が、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である下記（５）の化学組成からなる９％Ｃｒ系溶加材であることを特徴とするタービンロータ。
化学組成（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：０．１〜３、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（２）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：１以下、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、Ｗ：０．１〜３、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（３）質量％で、Ｃ：０．２〜０．３５、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：０．２〜２．０、Ｃｒ：１．５〜３．０、Ｍｏ：０．９０〜１．５０、Ｖ：０．２０〜０．３０、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（４）質量％で、Ｃ：０．４０以下、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．０以下、Ｎｉ：３．０〜４．５、Ｃｒ：１．０〜２．５、Ｍｏ：０．１〜１．５、Ｖ：０．０１〜０．３、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（５）質量％で、Ｃ：０．１０以下、Ｓｉ：０．３０以下、Ｍｎ：１．２０以下、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：８．００〜９．５０、Ｍｏ：０．６０〜１．００、Ｖ：０．１０〜０．３０、Ｎ：０．０２５以下、Ｎｂ：０．０４以下、を含有し、残部がＦｅ。
【請求項２】
前記低温用ロータ材が、上記（３）の化学組成からなる２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成され、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項３】
前記低温用ロータ材が、上記（４）の化学組成からなる３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成され、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項４】
高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して接合するタービンロータの製造方法において、
前記高温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である下記（１）の化学組成からなる１０Ｃｒ鋼または下記（２）の化学組成からなるＷ含有の１０Ｃｒ鋼で形成し、
前記高温用ロータ材と下記（３）または下記（４）の化学組成からなる低温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である下記（５）の化学組成からなる９％Ｃｒ系溶加材で溶接により接合することを特徴とするタービンロータの製造方法。
化学組成（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：０．１〜３、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（２）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：１以下、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、Ｗ：０．１〜３、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（３）質量％で、Ｃ：０．２〜０．３５、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：０．２〜２．０、Ｃｒ：１．５〜３．０、Ｍｏ：０．９０〜１．５０、Ｖ：０．２０〜０．３０、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（４）質量％で、Ｃ：０．４０以下、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．０以下、Ｎｉ：３．０〜４．５、Ｃｒ：１．０〜２．５、Ｍｏ：０．１〜１．５、Ｖ：０．０１〜０．３、を含有し、残部がＦｅ
化学組成（５）質量％で、Ｃ：０．１０以下、Ｓｉ：０．３０以下、Ｍｎ：１．２０以下、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：８．００〜９．５０、Ｍｏ：０．６０〜１．００、Ｖ：０．１０〜０．３０、Ｎ：０．０２５以下、Ｎｂ：０．０４以下、を含有し、残部がＦｅ。
【請求項５】
前記低温用ロータ材を上記（３）の化学組成からなる２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成し、
前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【請求項６】
前記低温用ロータ材を上記（４）の化学組成からなる３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成し、
前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、
溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
上記課題を解決するため本発明においては、高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して構成されたタービンロータにおいて、前記高温用ロータ材が、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である下記（１）の化学組成からなる１０Ｃｒ鋼または下記（２）の化学組成からなるＷ含有の１０Ｃｒ鋼で形成され、前記高温用ロータ材と下記（３）または下記（４）の化学組成からなる前記低温用ロータ材を溶接する溶加材が、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である下記（５）の化学組成からなる９％Ｃｒ系溶加材であることを特徴とする。
化学組成（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：０．１〜３、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（２）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：１以下、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、Ｗ：０．１〜３、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（３）質量％で、Ｃ：０．２〜０．３５、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：０．２〜２．０、Ｃｒ：１．５〜３．０、Ｍｏ：０．９０〜１．５０、Ｖ：０．２０〜０．３０、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（４）質量％で、Ｃ：０．４０以下、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．０以下、Ｎｉ：３．０〜４．５、Ｃｒ：１．０〜２．５、Ｍｏ：０．１〜１．５、Ｖ：０．０１〜０．３、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（５）質量％で、Ｃ：０．１０以下、Ｓｉ：０．３０以下、Ｍｎ：１．２０以下、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：８．００〜９．５０、Ｍｏ：０．６０〜１．００、Ｖ：０．１０〜０．３０、Ｎ：０．０２５以下、Ｎｂ：０．０４以下、を含有し、残部がＦｅ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、前記低温用ロータ材が、上記（３）の化学組成からなる２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成され、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする。
異鋼種溶接継手のクリープ破断位置は低合金鋼側に生じる細粒組織の熱影響部であり、クリープ強度は低合金鋼の種類と細粒組織の状態に支配される。そのため、前記低温用ロータ材を１％Ｃｒ鋼材よりもクリープ強度の高い２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成することで十分なクリープ強度を確保することができる。また、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材を用いて溶接し、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることで、前記高温用ロータに遅れ割れが生じることなく、適正なタービンロータが得られる。さらに肉盛溶接の必要が無いため、溶接回数、熱処理回数も１回でよく製造コストの高騰、製造時間の長期化という問題は発生しない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、前記低温用ロータ材が、上記（４）の化学組成からなる３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成され、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材に対して、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下としたことを特徴とする。
さらに、前記低温用ロータ材を３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成し、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である９％Ｃｒ系溶加材を用いて溶接し、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることで、前記高温用ロータに遅れ割れが生じることなく、適正な強度を確保することができるタービンロータが得られる。さらに肉盛溶接の必要が無いため、溶接回数、熱処理回数も１回でよく製造コストの高騰、製造時間の長期化という問題は発生しない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
さらに、課題を解決するためのタービンロータの製造方法の発明として、
高Ｃｒ鋼からなる高温用ロータ材と、低Ｃｒ鋼からなる低温用ロータ材とを溶接して接合するタービンロータの製造方法において、前記高温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２％以上である下記（１）の化学組成からなる１０Ｃｒ鋼または下記（２）の化学組成からなるＷ含有の１０Ｃｒ鋼で形成し、前記高温用ロータ材と下記（３）または下記（４）の化学組成からなる低温用ロータ材を、窒素含有量が質量％で０．０２５％以下である下記（５）の化学組成からなる９％Ｃｒ系溶加材で溶接により接合することを特徴とする。
化学組成（１）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：０．１〜３、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（２）質量％で、Ｃ：０．０５〜０．４、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：２以下、Ｎｉ：７．０以下、Ｃｒ：８〜１５、Ｍｏ：１以下、Ｖ：０．０１〜０．５、Ｎ：０．０２〜０．１、Ｎｂ：０．２以下、Ｗ：０．１〜３、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（３）質量％で、Ｃ：０．２〜０．３５、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．５以下、Ｎｉ：０．２〜２．０、Ｃｒ：１．５〜３．０、Ｍｏ：０．９０〜１．５０、Ｖ：０．２０〜０．３０、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（４）質量％で、Ｃ：０．４０以下、Ｓｉ：０．３５以下、Ｍｎ：１．０以下、Ｎｉ：３．０〜４．５、Ｃｒ：１．０〜２．５、Ｍｏ：０．１〜１．５、Ｖ：０．０１〜０．３、を含有し、残部がＦｅ、
化学組成（５）質量％で、Ｃ：０．１０以下、Ｓｉ：０．３０以下、Ｍｎ：１．２０以下、Ｎｉ：１．０以下、Ｃｒ：８．００〜９．５０、Ｍｏ：０．６０〜１．００、Ｖ：０．１０〜０．３０、Ｎ：０．０２５以下、Ｎｂ：０．０４以下、を含有し、残部がＦｅ。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
前記低温用ロータ材を上記（３）の化学組成からなる２．２５ＣｒＭｏＶ鋼で形成し、前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、６２５〜６５０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
前記低温用ロータ材を上記（４）の化学組成からなる３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成し、前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを溶接により接合した後、溶接された前記高温用ロータ材と低温用ロータ材とを、５９５〜６２０℃で４０〜６０時間熱処理して、前記高温用ロータ材のヴィッカース硬さをＨＶ３５０以下とすることを特徴とする。