(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量比で炭素：０．１５〜０．２０％、シリコン：０．１５〜０．３５％、マンガン：０．５〜０．８％、クロム：１．２〜１．５％、モリブデン：０．８〜１．２％、バナジウム：０．１〜０．３％及び不可避的不純物及び鉄からなり、焼入れ温度：９２０〜９８０℃で５〜２０時間保持し、素材各部位の６００℃までの冷却速度を２００℃／時間以上の速さで冷却し、さらに焼戻し温度６８０〜７３０℃で５〜２０時間保持してなることを特徴とする高温環境下で使用する蒸気タービン車室又は圧力容器用鋳鋼材。
【請求項２】
重量比で炭素：０．１５〜０．２０％、シリコン：０．１５〜０．３５％、マンガン：０．５〜０．８％、クロム：１．２〜１．５％、モリブデン：０．８〜１．２％、バナジウム：０．１〜０．３％、不純物としてのリンを０．００８％以下、不純物としてのイオウを０．００６％以下及び不可避的不純物及び鉄からなり、焼入れ温度：９２０〜９８０℃で５〜２０時間保持し、素材各部位の６００℃までの冷却速度を２００℃／時間以上の速さで冷却し、さらに焼戻し温度６８０〜７３０℃で５〜２０時間保持してなることを特徴とする高温環境下で使用する蒸気タービン車室又は圧力容器用鋳鋼材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、火力発電用蒸気タービン車室又は圧力容器用鋳鋼材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電用蒸気タービンプラントに用いられる車室材や圧力容器用材料としては、複雑な形状に対応するため鋳物材料が多く使われているが、これらの材料としては主にＣｒＭｏＶ鋳鋼、２．２５％ＣｒＭｏ鋳鋼、ＣｒＭｏ鋳鋼などが挙げられる。これらの材料は高温強度を確保し、さらに鋳鋼品であるために優れた溶接性が必要である。このうち、２．２５％ＣｒＭｏ鋳鋼やＣｒＭｏ鋳鋼は、常温の衝撃特性が優れており、その結果溶接性も良好である。しかし、Ｖを添加していないためクリープ破断強度が必ずしも十分でなく、年々高温化する蒸気タービン車室材に対するニーズに対応できないものとなっている。一方、ＣｒＭｏＶ鋳鋼はクリープ破断強度に優れているが、衝撃特性が劣るために溶接性が悪く、製造時の溶接補修が行いにくい問題点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＣｒＭｏＶ鋳鋼の優れたクリープ破断強度を現状のままで確保し、靭性を改善することによって、上記問題点を解決することのできる、溶接性の良好なＣｒＭｏＶ鋳鋼系圧力容器用材料を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は下記（１）〜（２）に記載の優れた靭性を有し、しかもクリープ破断強度は現用のＣｒＭｏＶ鋳鋼材と同等である新規鋳鋼材料により達成することができる。
（１）重量比で炭素：０．１５〜０．２０％、好ましくは０．１６〜０．１８％、シリコン：０．１５〜０．３５％、マンガン：０．５〜０．８％、クロム：１．２〜１．５％、好ましくは１．３〜１．５％、モリブデン：０．８〜１．２％、好ましくは０．９〜１．１％、バナジウム：０．１〜０．３％、好ましくは０．１５〜０．２５％及び不可避的不純物及び鉄からなり、焼入れ温度：９２０〜９８０℃、好ましくは９３５〜９６５℃で５〜２０時間保持し、素材各部位の６００℃までの冷却速度を２００℃／時間以上の速さで冷却し、さらに焼戻し温度６８０〜７３０℃、好ましくは６９０〜７２０℃で５〜２０時間保持してなることを特徴とする高温環境下で使用する蒸気タービン車室又は圧力容器用鋳鋼材。
【０００５】
（２）重量比で炭素：０．１５〜０．２０％、好ましくは０．１６〜０．１８％、シリコン：０．１５〜０．３５％、マンガン：０．５〜０．８％、クロム：１．２〜１．５％、好ましくは１．３〜１．５％、モリブデン：０．８〜１．２％、好ましくは０．９〜１．１％、バナジウム：０．１〜０．３％、好ましくは０．１５〜０．２５％、不純物としてのリンを０．００８％以下、好ましくは０．００４％以下、不純物としてのイオウを０．００６％以下、好ましくは０．００２％以下及び不可避的不純物及び鉄からなり、焼入れ温度：９２０〜９８０℃、好ましくは９３５〜９６５℃で５〜２０時間保持し、素材各部位の６００℃までの冷却速度を２００℃／時間以上の速さで冷却し、さらに焼戻し温度６８０〜７３０℃、好ましくは６９０〜７２０℃で５〜２０時間保持してなることを特徴とする高温環境下で使用する蒸気タービン車室又は圧力容器用鋳鋼材。
【０００６】
【作用】
本発明者らは、ＣｒＭｏＶ鋳鋼材の組成についてその成分を厳選特定するとともに、特定条件での熱処理を行うことにより従来得ることのできないほどの優れた靭性を有する鋳鋼材を発見し本発明に到達した。
以下に本発明の鋳鋼材における成分限定理由を述べる。
Ｃ：Ｃは焼入れ性を向上させるとともにＣｒやＭｏの炭化物を形成し高温強度の向上に寄与する。しかし、０．１５％未満では十分な耐力、クリープ破断強度が得られず、また０．２０％を超えると過剰な炭化物を形成し、靭性を低下させるため０．１５〜０．２０％とする。
Ｓｉ：Ｓｉは脱酸材として有用な元素であるとともに湯流れを良くして十分に鋳物の先端まで溶湯を入れることに寄与する。しかし、Ｓｉは偏析を助長し、靭性を低下させる。０．１５％未満ではその機能が十分に働かず、また０．３５％を超える量を添加すると、靭性が低下してしまう。このため、０．１５〜０．３５％に限定する。
【０００７】
Ｍｎ：Ｍｎは焼入れ性を高める元素として有用であり、靭性改善に効果がある。０．５％未満ではその効果は十分ではなく、また０．８％を越えるとクリープ破断強さが低下するため、０．５〜０．８％とする。
Ｃｒ：Ｃｒは耐酸化性を改善すると共に炭化物を形成して高温強度を改善することに大きく寄与する。１．２％未満であるとその効果は十分ではなく、また１．５％を越えるとクリープ破断強さが逆に低下してしまうので１．２〜１．５％とする。
【０００８】
Ｍｏ：Ｍｏは炭化物を形成し、高温のクリープ破断強さを向上させることに効果がある。また、焼入れ性を改善して靭性向上にも効果がある。０．８未満では十分な効果は得られず、また１．２％を越えると使用中の脆化をもたらすので、０．８〜１．２％とする。
Ｖ：Ｖは炭化物を形成しクリープ破断強度の向上に強く寄与するが、０．１％未満では十分な効果は得られず、また０．３％を越えると靭性を低下させるので、０．１〜０．３％とする。
【０００９】
Ｐ：Ｐは不純物であり、溶解段階で十分に精錬して低く押さえることが必要である。特にＰは焼戻し脆化を起こして使用中に材料の靭性を低下させる。このため、０．００８％以下にすることが望ましい。
Ｓ：ＳもＰと同様に不純物であり、凝固時に偏析し、濃化した部分は材料の結合強度が弱いため欠陥となる。このため、低く押さえることが必要であり、０．００６％以下であることが望まれる。
【００１０】
上記の組成を有する本発明の鋳鋼材は、高温環境下で使用する蒸気タービン車室又は圧力容器用の材料であり、高温強度、とりわけクリープ破断強さと鋳物材であることから溶接補修性を確保する上で良好な靭性を有することが一般には要求される。このため、熱処理を行う上でもこの要求される特性を十分に出すための処理を行うことが好ましい。
焼入れ温度：焼入れ温度（液体化温度）は、材料の結晶粒度に大きく影響を与えるものであり、焼入れ温度が高いと結晶粒が粗くなり、靭性や延性が低下する。一方、焼入れ温度が低すぎると、結晶粒が細かくなり過ぎるためクリープ破断強さが低下してしまう。このため、最適な温度管理が必要となる。本発明の材料の場合、焼入れ処理（溶体化処理）を９８０℃を越える温度で行うと結晶粒が粗くなってしまい、十分な靭性、延性が得られない。また、９２０℃よりも低い温度で熱処理を行うと、十分なクリープ破断強さが得られない。このため、焼入れ温度としては、９２０〜９８０℃に限定する。
【００１１】
焼入れ時間：焼入れ時間は、上述に示す焼入れの効果を十分に発揮できるだけの時間によって決められる。５時間未満である場合、材料の中に含まれる合金元素が十分に鉄の母相に溶けることはできないことや合金元素の濃度偏析が十分に解消されないことの問題が生じる。一方、２０時間を越える時間保持した場合、２０時間以内の処理と比較して、焼入れの効果に差はなく、逆に必要以上に結晶粒が粗大化してしまうため、延性、靭性の低下につながる。このため、焼入れ時間としては５〜１２時間に限定する。
【００１２】
焼戻し温度、焼戻し時間：焼戻しにおいては焼入れの際に導入された欠陥をなくし、靭性のある材料にするために行うものであり、この熱処理温度及び保持時間によって材料の機械的強度や延性、靭性が変化する。焼戻し処理において、温度が高く、保持時間が長いほど焼戻し処理は進み材料強度が低くなり、その代わりに延性や靭性が向上する。一方、焼戻し温度が低くしかもその保持時間が短い場合、材料強度は高くなるが延性、や靭性が低いものとなってしまう。このため、焼戻しの温度と時間を厳密に管理する必要がある。７３０℃より高い温度で焼戻しを行うと、延性や靭性は十分に高いものになるが機械的強度が十分でない。また、６８０℃よりも低い温度で焼戻すと十分に高い機械的強度は得られるが、延性や靭性が十分でない。このため、焼戻し温度は６８０〜７３０℃とする。また、焼戻し時間が５時間未満の場合、十分な合金元素の固溶や拡散が起こらず、充分なクリープ破断強度や延性、靭性が得られない。また、２０時間を越える時間焼戻し処理を行ったとしても、２０時間程度の焼戻し時間と大差ない固溶及び拡散しか起こらない。加えて必要以上に長い時間時効処理を行うと機械的強度が低下してしまう。このため、焼戻し時間は５〜２０時間とする。
【００１３】
焼入れ速度：焼入れ速度が遅い場合、焼入れ時にフェライト＋パーライト組織ができてしまうために十分な機械的強度が得られない。このため、焼入れ速度を速くすることが必要である。実際に大型の素材を焼入れする場合は、焼入れ速度に限界があり、極端に速くすることはできないが、２００℃／時間以上の冷却速度で焼入れ温度から６００℃までの間を冷却することにより、安定した機械的強度を得ることができる。このため、焼入れの際の６００℃までの冷却速度は、２００℃／時間以上であることが望ましい。
【００１４】
【実施例】
以下実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例によって限定されるものではない。
５０ｋｇ真空溶解炉を用いて表１に示す試験材を溶解し、砂型の鋳型を用いて造塊した。このようにして製造した試験材に対して種々の熱処理を行い試験材とした。このように得られた試験材に対して常温引張試験、衝撃試験並びにクリープ破断試験を行い、材料特性の評価を実施した。
表２は、各試験材の機械的性質を示すものであるが、これによると、本発明材は、比較材と比べて良好な機械的強度及び引張延性、衝撃特性（５０％ＦＡＴＴは衝撃遷移温度を示すものであり、この温度が低いものほど衝撃特性が良好であると言える）並びにクリープ破断強さ（クリープ破断試験では試験条件として温度と応力が一定であるので、破断時間が長いものがクリープ破断強さが強いものであると言える。）を示すことがわかる。
また、表３は熱処理の機械的特性に及ぼす影響についてまとめたものであるが、これによると、本発明の熱処理は比較熱処理と比べて高い延性、靭性並びに高いクリープ破断強さをバランス良く有していることがわかる。
【００１５】
【表１】
0003576234.tif 000002
【００１６】
【表２】
0003576234.tif 000003
【００１７】
【表３】
0003576234.tif 000004
【００１８】
【発明の効果】
本発明のＣｒＭｏＶ鋳鋼材は、従来からの優れた高温強度、特にクリープ破断強度を損なうことなく、良好な延性、靭性を具備したものであることから、溶接補修性が改善されており、従来の材料よりも製造しやすいことが特徴となっており、従来材よりも安価に製造することができる。