(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１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耐熱鋳鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｍｏ：０．１〜１．２、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１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耐熱鋳鋼。
【請求項３】
重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．０１〜０．３、Ｃｒ：２．０〜２．４、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｍｏ：０．３〜０．６、Ｗ：１．５〜２．５、Ｎ：０．０１〜０．０３、Ｂ：０．００５〜０．０１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耐熱鋳鋼。
【請求項４】
重量％で、Ｔｉ：０．０５〜０．２及びＴａ：０．０５〜０．２のうちの少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の耐熱鋳鋼。
【請求項５】
重量％で、Ｃｕ：０．１〜１．５を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の耐熱鋳鋼。
【請求項６】
焼ならし後に、冷却速度２００℃／ｈ以上で４００℃以下まで冷却を行うことにより得たこと特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の耐熱鋳鋼。
【請求項７】
６５０〜７３０℃の温度で肉厚２５ｍｍ当たり１ｈ以上の焼戻しを施すことにより得たこと特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の耐熱鋳鋼。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の耐熱鋳鋼を用いて作製されることを特徴とする蒸気タービン車室及び蒸気タービン弁箱等の耐熱鋳鋼部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温で長期間使用される部品、例えば蒸気タービン車室、蒸気タービン弁箱等の蒸気タービン部品に適用される耐熱鋳鋼及びそれを用いて作製される耐熱鋳鋼部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電設備の高温部品材料として、従来より１．２５Ｃｒ−０．５Ｍｏ鋳鋼や１Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ鋳鋼などの低合金耐熱鋳鋼が使用されている。
【０００３】
しかし、近年の火力発電設備は蒸気タービンの熱効率を向上させるため、蒸気温度の高温化が急速に進められている。このような高温化に対処するため、特公平４−５３９２８、特公平３−８０８６５等に開示されているような、より高強度で耐環境特性等に優れた高Ｃｒ系耐熱鋳鋼が蒸気タービン用高温部品の材料として使用されるようになっている。
【０００４】
このような高強度鋳鋼を用いることで部材の肉厚増を抑制でき、タービンの起動停止にともなう熱応力の低減も可能になるため、タービンの運用性向上にも貢献している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年の火力発電プラントは、高い熱効率とともに優れた経済性が要求される傾向にあり、プラント構成材料に対しても従来と同等あるいはそれ以上の機械的性質や製造性を有し、さらに経済性に優れていることが不可欠となりつつある。特開平２−２１７４３８、特開平８−２６９６１６などに開示される鋼はこの様な目的に合致したものである。
【０００６】
しかしながら、厚肉の鋳造品として製造し、高Ｃｒ系耐熱鋳鋼の代替材として使用することを前提とした場合、より高強度・高靭性かつ安定な金属組織を得ることが必要となる。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処するためになされたものであって、高温の蒸気環境中で安定した特性を有し、かつ経済性に優れた耐熱鋳鋼及びこれを用いて製造される蒸気タービン車室及び蒸気タービン弁箱等の耐熱鋳鋼部品を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐熱鋳鋼は重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１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ものである。
【０００９】
また、本発明の耐熱鋳鋼は重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｍｏ：０．１〜１．２、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明の耐熱鋳鋼においてより好ましいものとしては、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．０１〜０．３、Ｃｒ：２．０〜２．４、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｍｏ：０．３〜０．６、Ｗ：１．５〜２．５、Ｎ：０．０１〜０．０３、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００１１】
本発明の耐熱鋳鋼においては、さらに重量％で、Ｔｉ：０．０５〜０．２及びＴａ：０．０５〜０．２のうちの少なくとも１種を含有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の耐熱鋳鋼においては、さらに重量％で、Ｃｕ：０．１〜１．５を含有することが好ましい。
【００１３】
上記したような本発明の耐熱鋳鋼は、焼ならし後に、冷却速度２００℃／ｈ以上で４００℃以下まで冷却を行うことにより得たものであることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の耐熱鋳鋼は、６５０〜７３０℃の温度で肉厚２５ｍｍ当たり１ｈ以上の焼戻しを施すことにより得たものであることが好ましい。
【００１５】
本発明の耐熱鋳鋼部品は上記の耐熱鋳鋼を用いて作製されるものであって、例えば蒸気タービン車室及び蒸気タービン弁箱等が挙げられる。
【００１６】
本発明の耐熱鋳鋼は重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、高強度、高靭性かつ経済性に優れるものである。
【００１７】
また、本発明の耐熱鋳鋼は重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｍｏ：０．１〜１．２、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものであり、Ｍｎを含有させることで組織及び特性をより安定化したものである。
【００１８】
さらに、本発明の耐熱鋳鋼は重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２０、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．０１〜０．３、Ｃｒ：２．０〜２．４、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｍｏ：０．３〜０．６、Ｗ：１．５〜２．５、Ｎ：０．０１〜０．０３、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものとすることによって、より一層強度、靭性を向上させたものである。
【００１９】
このような本発明の耐熱鋳鋼に、重量％でＴｉ：０．０５〜０．２及びＴａ：０．０５〜０．２のうちの少なくとも１種を含有させることによって、析出強化させることができ、より一層強度、靭性を向上させることができる。
【００２０】
さらに、本発明の耐熱鋳鋼に、重量％でＣｕ：０．１〜１．５を含有させることによって、耐酸化性及び靭性を向上させることができる。
【００２１】
本発明の耐熱鋳鋼は、焼ならし後に冷却速度２００℃／ｈ以上で４００℃以下まで冷却を行うことにより、αフェライトの生成を抑制し、強度及び靭性を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明の耐熱鋳鋼は、６５０〜７３０℃の温度で肉厚２５ｍｍ当たり１ｈ以上の焼戻しを施すことにより、衝撃値及び引張強さを向上させることができる。
【００２３】
本発明の耐熱鋳鋼部品は、例えば上記した耐熱鋳鋼を用いて作製される蒸気タービン車室及び蒸気タービン弁箱等であり強度、靭性等に優れているため、従来よりも高温での使用が可能になり、発電プラント等の一層の効率化を行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものである。
【００２５】
以下、本発明において各元素を添加した理由及び上記組成範囲に限定した理由について説明する。なお、以下の説明において組成を表す％は、特に断らない限り重量％とする。
【００２６】
（ａ）Ｃ
Ｃは焼入れ性の確保とともに、析出強化に寄与する炭化物の構成元素としても有用な元素であるが、本発明に係わる鋳鋼では０．０６％未満では上述の効果が小さく、０．３０％を超えると炭化物の凝集が促進されるとともに溶接性が低下するため、その含有量を０．０６〜０．３０％とした。本発明においてはＣの含有量の下限を０．０８％、上限を０．２０％にすることで特性をより安定化することができる。
【００２７】
（ｂ）Ｓｉ
Ｓｉは脱酸剤として有用であり、良好な鋳造性の確保にも不可欠である。また、耐水蒸気酸化特性を向上させる。しかし、その含有量が高い場合は、靭性の低下及び脆化を促進するため、この観点からは含有量は可能な限り抑制することが望ましい。本発明に係わる耐熱鋳鋼においてはその含有量が０．４％を超えると上記特性が著しく低下するため、その含有量を０．１〜０．４％とした。本発明においてはＳｉの含有量の下限を０．１５％、上限を０．３５％にすることで特性をより安定化することができる。
【００２８】
（ｃ）Ｍｎ
Ｍｎは脱硫剤として有用な元素であるが、０．０１％未満では脱硫効果が認められず、０．６％を超えて添加するとクリ−プ抵抗を低下させるため、その含有量を０．０１〜０．６％とした。また、本発明においてはＭｎの含有量の上限を０．３％に制限することで組織及び特性をより安定化することができる。
【００２９】
（ｄ）Ｃｒ
Ｃｒは耐酸化性、耐食性に有効であるとともに析出強化に寄与する析出物の構成元素としても有用な元素であるが、本発明に係わる鋳鋼では１．８％未満では上述の効果が小さく、２．６％を超えると靭性及び溶接性が悪化するため、その含有量を１．８〜２．６％とした。本発明においてはＣｒの含有量の下限を２．０％、上限を２．４％にすることで特性をより安定化することができる。
【００３０】
（ｅ）Ｖ
Ｖは固溶強化及び微細な炭窒化物の形成に寄与する。本発明に係わる鋳鋼では０．１５％以上の添加でこれらの微細析出物が十分に析出し回復を抑制するが、０．３５％を超えると靭性の低下とクリープ破断強度の低下を招くため、その含有量を０．１５〜０．３５％とした。
【００３１】
（ｆ）Ｗ
Ｗは固溶強化とともに炭化物中へ置換し析出強化にも寄与する。Ｗの固溶量を長時間にわたり高く維持するためには０．５％以上の添加が必要であるが、３．０％を超えると靭性の低下およびフェライトの生成を促進するため、その含有量を０．５〜３．０％とした。また、本発明においてはＷの含有量の下限を１．５％、上限を２．５％にすることで、その特性をより安定化することができる。
【００３２】
（ｇ）Ｍｏ
Ｍｏは固溶強化元素および炭化物の構成元素として有用であり、Ｗとの複合添加でかつ０．１％以上の添加によりその効果が大きくなる。しかし、１．２％を超える添加は本発明の鋳鋼においては靭性の低下及びフェライトの生成を促進するため、その含有量を０．１〜１．２％とした。本発明においてはＭｏの含有量の下限を０．３％、上限を０．６％に制限することで、その特性をより安定化することができる。
【００３３】
（ｈ）Ｂ
Ｂは微量の添加で焼入れ性を高めるとともに、炭窒化物の高温長時間安定化を可能にする。本発明に係わる鋳鋼ではその効果は０．００５％以上の添加で認められ、結晶粒界及びその近傍に析出する炭化物の粗大化抑制効果を発揮するが、０．０１％を超えると溶接性が低下するとともに粗大生成物の形成を促進するため、その含有量を０．００５〜０．０１％とした。
【００３４】
（ｉ）Ｎ
Ｎは窒化物あるいは炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。さらに母相中に残存するＮは固溶強化にも寄与するが、本発明に係わる鋳鋼では０．００５％未満ではこれらの効果が認められない。一方、０．０４％を超える添加は、窒化物あるいは炭窒化物の粗大化を促進しクリ−プ抵抗が低下するとともに粗大生成物の生成を促進するため、その含有量を０．００５〜０．０４％とした。本発明においてはＮの含有量の下限を０．０１％、上限を０．０３％にすることで特性及び組織をより安定化することができる。
【００３５】
（ｊ）Ｔｉ
Ｔｉは脱酸効果を有するとともに炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。本発明に係わる鋳鋼では上記（ａ）〜（ｉ）に記載した元素に加えて添加することにより効果を発揮するが、０．０５％未満ではこれらの効果が認められない。一方、０．２％を超える添加は、粗大な炭窒化物を多量に形成し、析出強化作用が認められなくなるため、その含有量を０．０５〜０．２％とした。
【００３６】
（ｋ）Ｔａ
Ｔａは炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。本発明に係わる耐熱鋳鋼では上記（ａ）〜（ｉ）に記載した元素に加えて添加することにより効果を発揮するが、０．０５％未満ではこれらの効果が認められない。一方、０．２％を超える添加は、粗大な炭窒化物を多量に形成し、析出強化作用が認められなくなるため、その含有量を０．０５〜０．２％とした。
【００３７】
（ｌ）Ｃｕ
Ｃｕは耐酸化性を向上させるとともに靭性の向上にも寄与するが、０．１％未満ではこれらの効果が認められず、１．５％を超えると本発明の耐熱鋳鋼では著しく硬化するため、その含有量を０．１〜１．５％とした。
【００３８】
本発明の耐熱鋳鋼においては、上記成分ならびに主成分であるＦｅを添加する際に付随的に混入する不純物は極力低減することが望ましい。
【００３９】
次に、焼ならし後の冷却および焼戻し条件の限定理由を説明する。
【００４０】
本発明に係わる鋳鋼はフェライト形成元素を比較的多く含有するため、焼ならし後の冷却過程で特性に好ましくないαフェライトを生成する傾向が高い。この現象を回避するためには冷却過程でαフェライトの生成領域を通過しない冷却速度とする必要があり、本発明の鋳鋼の場合は冷却速度を２００℃／ｈ以上が不可欠となる。
【００４１】
さらにこのような冷却速度であっても４００℃以上で冷却を終了すると、保持時間に応じてαフェライトが生成したり、ベイナイト変態が完了しない可能性があるため、上記冷却速度で４００℃以下まで冷却を行うものとした。
【００４２】
本発明の耐熱鋳鋼で製造される蒸気タービン車室あるいは蒸気タービン弁箱は、一般的に肉厚が１００〜４００ｍｍ程度の範囲にあり、製品全体にわたり十分な焼戻しを施すには肉厚２５ｍｍ当たり１ｈ以上の焼戻しが必要となる。また、この時間設定の場合、焼戻し温度を６５０℃未満とすると所望の特性を得るために著しく長時間の熱処理が必要となり、また７３０℃を超えるものとすると所望の特性を得られない部位が存在する。従って、本発明においては焼戻し温度を６５０〜７３０℃とした。
【００４３】
以下、本発明の耐熱鋳鋼について実施例を参照して説明する。
【００４４】
【実施例】
［実施例１］
本発明の実施例として、重量％でＣ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるものを作製しＰＣ１〜ＰＣ２２とした。なお、以下の説明において組成を表す％は、特に断らない限り重量％とする。
【００４５】
このような本発明の実施例のうち、ＰＣ１６にはＴａを０．０６％含有させ、ＰＣ１７にはＴａを０．１８％含有させた。また、ＰＣ１８にはＴｉを０．０６％含有させ、ＰＣ１９にはＴｉを０．１９％含有させた。ＰＣ２０にはＴａ及びＴｉをそれぞれ０．１７％、０．０９％含有させた。またＰＣ２１、ＰＣ２２には、それぞれＣｕを０．１５％、１．４２％含有させた。
【００４６】
また、比較例として本発明の組成範囲外であるものを作製しＣＣ１〜ＣＣ１０とした。ＣＣ７は、Ｔａが本発明の組成範囲である０．２％を超えて過剰に含有されたものであり、ＣＣ８は、Ｔｉが本発明の組成範囲である０．２％を超えて過剰に含有されたものである。ＣＣ９は、Ｔａ及びＴｉのそれぞれが本発明の組成範囲をこえて含有されたものである。ＣＣ１０は、Ｃｕが本発明の組成範囲である１．５％を超えて含有されたものである。
【００４７】
これらの耐熱鋳鋼は電気炉溶解後、砂型に鋳込んだ鋳塊を焼鈍後徐冷し、続いて焼ならし後焼入れを行い、焼戻しを施し作製された。これらの耐熱鋳鋼は７５０ＭＰａ程度の引張強さに調整された。
【００４８】
本発明の実施例ＰＣ１〜ＰＣ２２及び比較例ＣＣ１〜ＣＣ１０の組成を表１に示す。
【００４９】
【表１】
0003639155.tif 000002
【００５０】
各耐熱鋳鋼について実施したクリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃での１０万時間破断強度を表２に示す。
【００５１】
【表２】
0003639155.tif 000003
【００５２】
以上のことから、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋳鋼は、同等の引張強さに調整された場合、本発明の組成範囲外である比較例に比べてクリープ破断強度が高くなることが確認された。
【００５３】
［実施例２］
本実施例では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼の衝撃特性について説明する。本実施例で用いた供試鋳鋼は実施例１と同組成のものを、同様の方法を用いて作製したものであり、７５０ＭＰａ程度の引張強さに調整されたものである。
【００５４】
これらの供試鋳鋼についてＪＩＳ  ４号２ｍｍＶノッチシャルピー衝撃試験片を採取して、２０℃での衝撃吸収エネルギーを測定した。それらの結果を表２に示す。
【００５５】
本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼は、同等の引張強さに調整した場合、本発明の組成範囲外である比較例に比べて優れた衝撃吸収エネルギーを示すことが確認された。
【００５６】
［実施例３］
本実施例では、本発明に係る熱処理の効果について説明する。
【００５７】
本実施例においては、実施例１におけるＰＣ３、ＰＣ８、ＰＣ１８及びＰＣ２１と同様の耐熱鋳鋼を用い、焼ならし後の冷却速度を２００℃／ｈ又は３００℃／ｈとして冷却を行った。また、比較例として、実施例１におけるＰＣ３、ＰＣ８、ＰＣ１８及びＰＣ２１と同様の耐熱鋳鋼を用い、焼ならし後の冷却速度を１００℃／ｈとして冷却を行った。
【００５８】
表３に本発明の実施例及び比較例におけるαフェライトの面積率を示す。
【００５９】
【表３】
0003639155.tif 000004
【００６０】
焼ならし後の冷却速度を２００℃／ｈ以上とした本発明の実施例では、各耐熱鋳鋼ともにαフェライトの生成は認められなかったが、冷却速度を２００℃／ｈ未満にした比較例ではαフェライトの生成が認められた。
【００６１】
また、実施例１と同様のＰＣ３、ＰＣ８、ＰＣ１８及びＰＣ２１を用いて、肉厚２５ｍｍ当たり１ｈの設定で、焼戻しの温度を６４０℃、６７０℃、７００℃、７３０℃、７６０℃と変化させたときの引張強さ及び２０℃での衝撃吸収エネルギーの変化について調べた。それらの結果を表４に示す。
【００６２】
【表４】
0003639155.tif 000005
【００６３】
上記の結果より、焼戻し温度を６５０℃未満とした場合は衝撃値が低くなり、７３０℃を超えるものとした場合は十分な引張強さが得られないことが認められた。
【００６４】
以上の結果より、本発明の熱処理条件で製作した耐熱鋳鋼は、組織安定性が高く、引張特性と衝撃特性のバランスに優れていることがわかる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の耐熱鋳鋼は重量％で、Ｃ：０．０６〜０．３０、Ｓｉ：０．１〜０．４、Ｍｎ：０．０１〜０．６、Ｃｒ：１．８〜２．６、Ｖ：０．１５〜０．３５、Ｗ：０．５〜３．０、Ｎ：０．００５〜０．０４、Ｂ：０．００５〜０．０１を含有し、残部をＦｅおよび不可避的不純物とすることで、強度及び靭性を向上させたものである。
【００６６】
従って、本発明の耐熱鋳鋼を用いて、蒸気タービン車室や蒸気タービン弁箱等の耐熱鋳鋼部品を作製することによって、過酷な蒸気条件下においても長時間にわたり高い信頼性を維持し、かつ性能、運用性、経済性に優れるタービンの提供が可能となり、産業上有益な効果がもたらされる。
【００６７】