(57)【要約】【課題】  熱処理によって、旧オーステナイト粒径が微細化されたタービン用素材の製造方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．４％以下、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：３．０〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜２．０％、Ｍｏ：０．２〜０．６％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、残部はＦｅ及び不可避的不純物を有する鍛造材を準備し、前記鍛造材を８２５℃〜９５０℃の温度範囲に加熱とその後の冷却を２回以上繰り返し行うタービン用素材の製造方法。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．４％以下、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：３．０〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜２．０％、Ｍｏ：０．２〜０．６％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、残部はＦｅ及び不可避的不純物を有する鍛造材を準備し、前記鍛造材を８００℃〜９５０℃の温度範囲に加熱とその後の冷却を２回以上繰り返し行うことを特徴とするタービン用素材の製造方法。
【請求項２】
前記鍛造材の重量が５００ｋｇ以上であることを特徴とする請求項１に記載のタービン用素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン用素材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大型の低圧タービン用ロータには、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼の鍛造品が広く使用されている（非特許文献１参照）。一方、蒸気タービンの低圧動翼においては発電効率向上のため、大型化が進められている。動翼が大型化すると稼働時に生じる遠心力も増大するため、それを支持するロータの強度も求められる。この低圧タービン用ロータ強度向上の検討としては、化学組成や焼戻し条件の検討がなされている（非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】浅井知  他「大容量・高温化対応蒸気タービンの溶接ロータ」東芝レビューＶｏｌ．６５  Ｎｏ．８（２０１０）  第１２〜１４頁
【非特許文献２】吉岡洋明  他「Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼の強度・衝撃特性に及ぼす化学組成と焼戻し熱処理の影響」鉄と鋼Ｖｏｌ．８９（２００３）  第８３〜８８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、いっそう高い強度と靱性が求められているが、従来の検討では十分ではなかった。一般的にマルテンサイト組織を有する鉄鋼材料において、旧オーステナイト粒が微細になると、高い強度と靱性が得られる。３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼においても、旧オーステナイト粒の微細化が有効であると考えられるが、現在、結晶粒の微細化による強度・靱性の向上の提案は見られない。
本発明の目的は、熱処理によって、旧オーステナイト粒径が微細化されたタービン用素材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、タービンロータ用鋼である３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼の結晶粒微細化手法について検討した。その結果、特定の温度域で加熱・保持を繰り返すことで、旧オーステナイト粒を微細化することが出来ることを見出し、本発明に到達した。
即ち本発明は、質量％で、Ｃ：０．４％以下、Ｍｎ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｎｉ：３．０〜４．０％、Ｃｒ：１．０〜２．０％、Ｍｏ：０．２〜０．６％、Ｖ：０．０５〜０．１５％、残部はＦｅ及び不可避的不純物を有する鍛造材を準備し、前記鍛造材を８００℃〜９５０℃の温度範囲に加熱とその後の冷却を２回以上繰り返し行うタービン用素材の製造方法である。
また、本発明では、前記鍛造材の重量が５００ｋｇ以上の大型の鍛造材を用いることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、旧オーステナイト粒径が微細化されたタービン用素材を得ることができ、大型のタービン用ロータであっても、熱処理によって旧オーステナイト粒径を微細化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】焼入れままの鍛造材の金属組織写真である。
【図２】比較例鍛造材（Ｎｏ．２）の金属組織写真である。
【図３】本発明鍛造材（Ｎｏ．３）の金属組織写真である。
【図４】比較例鍛造材（Ｎｏ．４）の金属組織写真である。
【図５】本発明鍛造材（Ｎｏ．５）の金属組織写真である。
【図６】比較例鍛造材（Ｎｏ．６）の金属組織写真である。
【図７】本発明鍛造材（Ｎｏ．７）の金属組織写真である。
【図８】比較例鍛造材（Ｎｏ．８）の金属組織写真である。
【図９】本発明鍛造材（Ｎｏ．９）の金属組織写真である。
【図１０】比較例鍛造材（Ｎｏ．１０）の金属組織写真である。
【図１１】本発明鍛造材（Ｎｏ．１１）の金属組織写真である。
【図１２】比較例鍛造材（Ｎｏ．１２）の金属組織写真である。
【図１３】本発明鍛造材（Ｎｏ．１３）の金属組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の最大の特徴は特定の温度での加熱・保持を繰り返すことで、旧オーステナイト粒径を微細化することである。
先ず、本発明で規定する合金組成は一般的にタービン用ロータ材として使用されている鋼種である、ＡＳＴＭ−Ａ４７０−ＧｒａｄｅＣに準ずるものである。本発明で規定する組成の限定理由は以下のとおりである。なお、組成の単位は質量％である。
＜Ｃ：０．４％以下＞
Ｃは焼戻し時に炭化物を形成することで、析出強化に寄与するため、０．４％を上限として含有する。Ｃが０．４％を超えると炭化物析出が過剰となり、靱性を低下させる。そのため、Ｃを０．４％以下の範囲とした。Ｃの好ましい上限は０．３％であり、更に好ましくは０．２８％である。好ましい下限は０．０５％であり、更に好ましくは０．１０％である。
【０００９】
＜Ｍｎ：０．２〜０．６％＞
Ｍｎは精錬時に脱酸剤として添加し、０．２〜０．６％の範囲で含有する。十分な脱酸効果を得ようとすると、Ｍｎが０．２％以上は残存することとなる。一方で、０．６％を超えると鍛造性が低下する。そのため、Ｍｎを０．２〜０．６％の範囲とした。Ｍｎの好ましい上限は０．５％であり、更に好ましくは０．４％である。好ましい下限は０．２３％であり、更に好ましくは０．２５％である。
＜Ｓｉ：０．５％以下＞
ＳｉはＭｎと同様に精錬時の脱酸剤として添加し、０．５％を上限として含有する。０．５を超えると、鋼中に酸化物として残存し、靱性を低下させる。そのため、Ｓｉを０．５％以下の範囲とした。Ｓｉの好ましい上限は０．４５％であり、更に好ましくは０．４％である。好ましい下限は０．０５％であり、更に好ましくは０．１０％である。
【００１０】
＜Ｎｉ：３．０〜４．０％＞
Ｎｉは低温での脆化を抑制する効果があり、３．０〜４．０％の範囲で含有する。Ｎｉが３．０％未満であると低温下で高応力が負荷されたときに、割れが生じる可能性がある。一方で、４．０％を超えると残留オーステナイト量増加による強度低下という問題を生じる。そのため、Ｎｉを３．０〜４．０％の範囲とした。Ｎｉの好ましい上限は３．８０％であり、更に好ましくは３．６０％である。好ましい下限は３．２０％であり、更に好ましくは３．４０％である。
＜Ｃｒ：１．０〜２．０％＞
Ｃｒは耐食性や焼入れ性の改善の効果があり、１．０〜２．０％の範囲で含有する。Ｃｒが１．０％未満であると使用中の応力腐食割れ発生の可能性が高まる。一方で、２．０％を超えると強度や靱性の低下という問題を生じる。そのため、Ｃｒを１．０〜２．０％の範囲とした。Ｃｒの好ましい上限は１．９０％であり、更に好ましくは１．８０％である。好ましい下限は１．２０％であり、更に好ましくは１．４０％である。
【００１１】
＜Ｍｏ：０．２〜０．６％＞
Ｍｏは焼入れ性の向上の効果があり、０．２〜０．６％の範囲で含有する。Ｍｏが０．２％未満であると冷却時に十分な焼入れがなされず、強度が得られない。一方で、０．６％を超えると熱間加工性を劣化させるという問題を生じる。そのため、Ｍｏを０．２〜０．６％の範囲とした。Ｍｏの好ましい上限は０．５％であり、更に好ましくは０．４５％である。好ましい下限は０．２５％であり、更に好ましくは０．３％である。
＜Ｖ：０．０５〜０．１５％＞
Ｖは焼入れ性を向上させる効果があり、０．０５〜０．１５％の範囲で含有する。Ｖが０．０５％未満であると十分な強化を生じない。一方で、０．１５％を超えると強度、靱性の低下という問題を生じる。そのため、Ｖを０．０５〜０．１５％の範囲とした。Ｖの好ましい上限は０．１３％であり、更に好ましくは０．１１％である。好ましい下限は０．０６％であり、更に好ましくは０．０８％である。
＜残部はＦｅと不可避的不純物＞
残部はＦｅと不可避的不純物である。代表的な不可避的不純物としてはＰ，Ｓ，Ａｌ等が挙げれる。Ｐは０．０２％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ａｌ：０．０１５％以下の範囲で許容することができる。
【００１２】
＜熱処理条件＞
本発明では、前述した組成を有する３．５ＮｉＣｒＭｏV鋼の鍛造材に、繰り返しの加熱・保持を行う。なお、加熱・保持を行う素材は鍛造された３．５ＮｉＣｒＭｏV鋼であって、鍛造工程と次の鍛造工程の中間の鍛造材、最終加工前の粗加工形状の粗加工した鍛造材、仕上げ鍛造を行った鍛造材等である。
通常、３．５ＮｉＣｒＭｏV鋼は鍛造を行った鍛造材を用いて、焼きならし、焼入れ、焼戻しの熱処理が行われる。旧オーステナイト粒径は焼入れの温度や時間によって決定されてしまう。これに対して、本発明の繰り返し加熱・保持はマルテンサイト組織中から微細なオーステナイトを析出させることで、冷却後に残存する旧オーステナイト粒界を形成することを目的としているものである。
本発明で、前記の鍛造材を８００℃〜９５０℃の温度範囲に加熱とその後の冷却を繰り返すのは、旧オーステナイト粒を微細化させるためである。この８００℃〜９５０℃という温度域では、マルテンサイト組織中から微小なオーステナイト粒の析出が生じるため、冷却後に微小な旧オーステナイト粒界を得ることができる。８００℃未満の温度域においては、析出するオーステナイト粒の成長が進まず、素材全体での微細化を達成できない。一方、９５０℃を超えると、析出したオーステナイトの成長が速くなるため、オーステナイト粒が粗大となる。そのため、加熱温度を８００℃〜９５０℃とする。加熱温度の好ましい上限は９００℃であり、更に好ましくは８８０℃である。好ましい下限の温度は８１５℃であり、更に好ましくは８２５℃であり、更に好ましくは８４０℃である。なお、前述の加熱温度範囲内の保持時間については、１０〜１２０分程度で十分である。
【００１３】
また、本発明において、加熱とその後の冷却を２回以上繰り返し行うのは強度、靱性を得るのに十分に微細な旧オーステナイト粒界を得るのためである。２回以上であれば、１回目の加熱・保持以降に新たに形成された旧オーステナイト粒界からオーステナイト粒の形成が生じるため、組織全体に微細組織が形成される。１回のみであれば、形成される旧オーステナイト粒界が粗大になる、または組織全体に形成されないことから、十分な強度・靱性が得られない。この加熱・保持−冷却の繰り返し回数であるが、例えば５回以上繰り返しても、結晶粒微細化効果が飽和して、かえって生産性を低下させることから繰り返し回数の上限は５回とすれば良い。
また、加熱後に行う冷却は、例えば、水冷、油冷、衝風冷却、ミスト冷却など、種々の公知の冷却方法で良い。冷却は５００℃以下程度で十分である。結晶粒微細化効果が大きいのは冷却速度が速い水冷であるが、例えば、重量が５００ｋｇ以上の大型の鍛造材を水冷すると割れや変形を生じるおそれがある。そのため、大型の鍛造には衝風冷却を適用するのが良い。
以上、説明する本発明のタービン用素材の製造方法を適用すると、強度、靱性の向上が期待できる。例えば、重量が５００ｋｇ以上の大型の発電用タービン部品に用いることで、発電効率の向上を期待できる。
【実施例】
【００１４】
質量％でＣ０．３％、Ｓｉ０．０５％、Ｍｎ０．３％、Ｃｒ１．８％、Ｎｉ３．５％、Ｍｏ：０．４％、Ｖ０．１％を含有し、残部がＦｅと不純物でなるＡＳＴＭ−Ａ４７０−ＧｌａｄｅＣに準ずる熱間鍛造材に対して、１１００℃でのオーステナイト化を施した後、焼入れを行った。そして、表１に示す条件での加熱保持を実施後、６００℃で６０分の焼戻しを実施した。参考として、Ｎｏ．１は加熱・保持を実施する前の焼入れままの材料を示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
作製した材料における組織の評価を実施した。図１〜１３はそれぞれ表１Ｎｏ．１〜１３のと対応した素材を示す。表１中に示す結晶粒度番号はＡＳＴＭ−Ｅ１１２で規定される方法により測定したものである。
本発明で規定する製造方法である、熱処理を３回実施した素材では、組織の全面において、均一で焼入れままの材料より微細な旧オーステナイト粒界が見られている。一方、本発明で規定した製造方法を適用しなかった比較例においては、部分的に微細な旧オーステナイト粒界を有するが、粗大粒も混在した不均一な組織である。そのため、粒度番号を測定することが出来なかった。
以上のことから、本発明を適用すると、強度、靱性の向上が期待できる。例えば、発電用タービン部品に用いることで、発電効率の向上を期待できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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