(57)【要約】【課題】コストアップに繋がる金属元素量を増やすことなく、強度に加え、耐久性、低温靭性に優れる回転機械のインペラ素材を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．２９〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｎｉ：１．６０〜２．００％、Ｃｒ：０．７７〜１．００％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、残部Ｆｅならびに不純物元素からなる合金鋳塊を熱間鍛造した後に、焼入れ、焼戻しするインペラ素材の製造方法であって、焼入れ前のオーステナイト結晶粒度を３０〜２００μｍとし、焼入れ後の金属組織の８０％以上を、ベイナイト相又はベイナイト相とマルテンサイト相が占める。焼入れ後の金属組織の９０％以上をベイナイト組織とすることが好ましく、また、合金鋳塊は、Ｃ、Ｎｉ及びＣｒの含有量が、Ｃ：０．３０〜０．３４％、Ｎｉ：１．７０〜２．００％、Ｃｒ：０．８０〜０．９５％であることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．２９〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｎｉ：１．６０〜２．００％、Ｃｒ：０．７７〜１．００％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、残部Ｆｅならびに不純物元素からなる合金鋳塊を熱間鍛造した後に、焼入れ、焼戻しするインペラ素材の製造方法であって、
前記焼入れ前のオーステナイト結晶粒度を３０〜２００μｍとし、
前記焼入れ後の金属組織の８０％以上を、ベイナイト相又はベイナイト相とマルテンサイト相（ただしマルテンサイト相は４０％以下）が占めることを特徴とするインペラ素材の製造方法。
【請求項２】
前記焼入れ後の金属組織の９０％以上をベイナイト相とする請求項１に記載のインペラ素材の製造方法。
【請求項３】
前記合金鋳塊は、
Ｃ、Ｎｉ及びＣｒの含有量が、Ｃ：０．３０〜０．３４％、Ｎｉ：１．７０〜２．００％、Ｃｒ：０．８０〜０．９５％である請求項１又は２に記載のインペラ素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心力により気体を段階的に圧縮し又は拡張する回転機械を構成するインペラの素材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、回転するインペラの半径方向に気体あるいは蒸気を通り抜けさせ、その際に発生する遠心力にてそれら気体を圧縮するものである。インペラを多段に備える遠心圧縮機１の一般的な構成は、図５に示す通りである。
すなわち、ケーシング２は、遠心圧縮機１の外観形状をなすとともに、この内部に、シャフト３と、シャフト３の軸線方向に沿って所定の間隔を有して取り付けられた複数のインペラ４と、各インペラ４間を繋いで段階的に圧縮された気体を流通させる流路２ｃと、シャフト３の両端部を回転可能に支持する各軸受５とが少なくとも備えられている。また、ケーシング２の壁面には、圧縮する気体を導き入れる吸入口２ａと、圧縮された気体を送出する吐出口２ｂとが備えられている。
個々のインペラ４は、円盤上に複数の羽根（図示せず）が立設され、該羽根の先端にシュラウドが取り付けられている。上記円盤とシュラウドとの間に形成される空間は、圧縮する気体の通り道として機能する流路とされ、先に説明したケーシング２内の流路２ｃと繋げられている。インペラ４として、構造用合金鋼のＪＩＳ ＳＮＣＭ４３１が用いられている。
【０００３】
ところで特許文献１には、ＳＮＣＭ４３１などのニツケル・クロム・モリブデン鋼に比して、焼入れ硬さ、焼きもどし硬さは同等もしくはそれ以上の硬さを有し、引張り強さ、靭性がＳＮＣＭ４３１よりも優れる低合金鋼が開示されている。この合金鋼は、焼入れ後の組織をマルテンサイトとベイナイトの混合組織とするため、Ｎｉの含有を不純物量程度に止め、Ｍｏを必要量含有させるものであり、質量比にしてＣ：０．３２〜０．４０％，Ｓｉ：０．１５〜０．６５％，Ｍｎ：０．６５〜１．２０％，Ｃｒ：０．９０〜２．００％，Ｍｏ：０．３３〜０．５０％を含有し、残部Ｆｅならびに不純物元素からなり、組織が焼もどしマルテンサイトと焼もどしベイナイトの混合組織からなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１８４６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
遠心圧縮機等の回転機械の高速回転化、低温域で使用されるインペラ素材には強度に加え、耐久性向上のため降伏応力の向上、低温使用のため低温靭性の向上の特性が求められるが、これをコストアップに繋がる合金元素量を増やすことなく実現することが望まれている。また、操業中の割れ防止等の観点より、厚さ方向に十分な焼入れを行う必要がある。
ところが、特許文献１の低合金鋼は、マルテンサイトが組織の主体をなすためにＮｉの含有を不純物程度に止めているために、十分な焼入れ性を確保できない、回転機械のインペラに要求される靭性を確保することが困難である。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、コストアップに繋がる金属元素量を増やすことなく、回転機械の高速回転化、低温域で使用されるインペラ素材には強度に加え、耐久性向上のための降伏応力、低温使用のため低温靭性を備え、焼入れ性が良好な回転機械のインペラ素材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】
【０００６】
低合金鋼であるＪＩＳ ＳＮＣＭ４３１の機械的な特性は、焼入れ後に行われる焼き戻しの条件によって大きく左右される。しかしながら、焼入れが不十分のために焼き入れ後の素材の組織内にパーライト又はフェライトの割合が多い場合、適正な焼戻しを行ったとしても、十分な強度を得ることができない。この一方、過冷却の場合、降伏応力、低温靭性が低下する問題がある。
十分な焼きを確保するために、合金元素の添加を行うことにより、臨界冷却速度（フェライトやパーライトの組織が生じない限界冷却速度）をなるべく小さくすることが考えられる。しかしながら、合金元素の過剰添加はコストアップまた低温靭性の低下に繋がり、また合金元素の過少添加は焼入れ性が損なわれ、焼入れ組織内に別な軟相が析出することで強度低下また焼きむらによる割れが生じる可能性がある。
よって、上記特性を満たすために、焼入れ性が良好で、臨界冷却速度がなるべく小さい化学成分範囲を指定する必要がある。また上記化学成分範囲を指定することで、無駄な添加によるコスト削減が可能になる。そして、焼入れ後の組織を、降伏応力、低温靭性が良好なベイナイト組織を主体とすることが重要となる。
【０００７】
以上の指針に基づく本発明のインペラ素材の製造方法は、質量％（以下、単に％）で、Ｃ：０．２９〜０．３５％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：０．６０〜０．９０％、Ｎｉ：１．６０〜２．００％、Ｃｒ：０．７７〜１．００％、Ｍｏ：０．１５〜０．３０％、残部Ｆｅならびに不純物元素からなる合金鋳塊を熱間鍛造した後に、焼入れ、焼戻しすることを前提とする。そして、焼入れ前のオーステナイト結晶粒度を３０〜２００μｍとし、焼入れ後の金属組織の８０％以上をベイナイト相又はベイナイト相とマルテンサイト相（ただし、マルテンサイト相は４０％以下）が占めることを特徴とする。
本発明において、焼入れ後の金属組織の９０％以上をベイナイト相とすることが好ましい。また、合金鋳塊は、Ｃ、Ｎｉ及びＣｒの含有量が、Ｃ：０．３０〜０．３４％、Ｎｉ：１．７０〜２．００％、Ｃｒ：０．８０〜０．９５％であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、合金組成はＪＩＳ ＳＮＣＭ４３１が規定する範囲としながら、焼入れ後の金属組織の８０％以上をベイナイト相、又はベイナイト相とマルテンサイト相（ただし、マルテンサイト相は４０％以下）とすることにより、焼戻し後の組織を強度、降伏応力及び靭性、特に低温靭性の優れたベイナイト組織を主体にできる。したがって、本発明のインペラ素材の製造方法によると、コストアップに繋がる金属元素量を増やすことなく、強度に加え、耐久性、低温靭性に優れ、かつ焼入れ性も良好な回転機械のインペラ素材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】Ｃ量と臨界冷却速度の関係を示すグラフである。
【図２】Ｎｉ量と臨界冷却速度の関係を示すグラフである。
【図３】Ｃｒ量と臨界冷却速度の関係を示すグラフである。
【図４】Ｍｏ量と臨界冷却速度の関係を示すグラフである。
【図５】遠心圧縮機の一般的な構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明をより具体的に説明する。
［合金組成］
＜Ｃ：０．２９〜０．３５％＞
Ｃは、インペラに要求される強度を確保するのに必須の元素である。また、図１に示すように、Ｃ含有量が増えると臨界冷却速度が低くなる。本発明では、臨界冷却速度を０．８℃／ｓｅｃ以下にするために、Ｃ含有量を０．２９％以上とする。一方で、Ｃ含有量が多くなりすぎると、溶接性が劣化するとともに、焼入れ後の組織中に占めるベイナイト組織の量が少なくなるので、Ｃ含有量を０．３５％以下とする。好ましいＣ含有量は０．３０〜０．３５％であり、より好ましい含有量は０．３０〜０．３４％である。
【００１１】
＜Ｓｉ：０．１５〜０．３５％＞
Ｓｉは、製鋼中に脱酸作用を発揮する。また、基地に固溶してその強度を向上する作用を有する。これらの効果を得るために、Ｓｉ含有量を０．１５％以上とする。しかし、必要以上にＳｉを含有させると偏析による靭性劣化を及ぼす可能性があるため、上限を０．３５％とした。
【００１２】
＜Ｍｎ：０．６０〜０．９０％＞
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として用いられ、かつ焼入れ性を向上させる元素である。そのため本発明はＭｎ含有量を０．６０％以上とする。しかし、必要以上に含有させると粒界脆化現象が生じ、遅れ破壊の発生促進、粒界強度低下が生じる危険があるので上限を０．９０％とした。
【００１３】
＜Ｎｉ：１．６０〜２．００＞
Ｎｉは基地に固溶して固溶強化するとともに靭性を付与する。また、図２に示すように、Ｎｉ含有量が増えると臨界冷却速度が低くなる。本発明では、臨界冷却速度を０．８℃／ｓｅｃ以下にするために、Ｎｉ含有量を１．６０％以上とする。一方で、Ｎｉ含有量が多くなっても固溶強化の効果が飽和するとともにコストアップになるので、Ｎｉ含有量を２．００％以下とする。好ましいＮｉ含有量は１．６５〜１．９５％であり、より好ましい含有量は１．７０〜１．９０％である。
【００１４】
＜Ｃｒ：０．７７〜１．００％＞
Ｃｒは、Ｍｎと同様に焼入れ性を高め、かつＣとともに炭化物を形成して強度、耐摩耗性を付与する。また、図３に示すように、Ｃｒ含有量が増えると臨界冷却速度が低くなる。本発明では、臨界冷却速度を０．８℃／ｓｅｃ以下にするために、Ｃｒ含有量を０．７７％以上とする。しかし、多く含有させても焼入れ性の効果が飽和するとともにコストアップになるので、Ｃｒ含有量を１．００％以下とする。好ましいＣｒ含有量は０．７７〜０．９５％であり、より好ましい含有量は０．７７〜０．９０％である。
【００１５】
＜Ｍｏ：０．１５〜０．３０％＞
Ｍｏは、鋼の変態応力を緩和するとともに焼入れ性と、靭性および焼もどし軟化抵抗を高める。また、基地中に微細な炭化物を生成して耐摩耗性を向上させる効果を有する。これらの効果を得るためにＭｏ含有量は０．１５％以上とする。しかし、Ｍｏ含有量が増えると図４に示すように臨界冷却速度が低くなるとともに、焼入れ性の効果が飽和し、さらにコストアップになるので、Ｍｏ含有量は０．３０％以下とした。好ましいＭｏ含有量は０．１７〜０．２７％であり、より好ましい含有量は０．２０〜０．２７％である。
【００１６】
＜その他＞
不純物として、Ｐ及びＳを含有するが、各々０．０３５％以下であれば本発明の効果に悪影響を与えない。なお、Ｓは鋼中にＭｎＳを生成して被削性を改善する効果を有する。
【００１７】
［焼入れ前の結晶粒径：３０〜２００μｍ］
本発明に係る合金鋼は、焼入れ前のオーステナイト結晶粒径が、焼入れ後のベイナイト相の生成に影響を与える。すなわち、オーステナイト結晶粒径が小さいほど、マルテンサイト（α）の発生基点となるオーステナイト（γ）結晶粒の粒界面積が多くなり、ベイナイト相への変態が制限される。そこで本発明では、焼入れ前のオーステナイト結晶粒径を３０μｍ以上とする。
焼入れ前のオーステナイト結晶粒径を大きくするには熱間鍛造後の冷却速度を遅くするのが効果的である。合金鋼のサイズ等によっても変わりうるが、冷却速度を０．５℃／ｓｅｃ以下とすれば、焼入れ前のオーステナイト結晶粒径を３０μｍ以上にすることができる。熱間鍛造後、炉冷又は空冷することでこの冷却速度を得ることができる。ただし、必要以上にオーステナイト結晶粒径が大きくてもベイナイト相変態を促進する効果が飽和するとともに、オーステナイト結晶粒径を大きくするために熱間鍛造後の冷却に時間がかかりすぎるので生産効率を低下させる。したがって、本発明ではオーステナイト結晶粒径の上限を２００μｍとする。好ましい焼入れ前のオーステナイト結晶粒径は４０〜１５０μｍである。
【００１８】
［焼入れ、焼戻し条件］
オーステナイト結晶粒度が３０〜２００μｍに調整されたインペラ素材は、焼入れ、焼戻しの熱処理が施される。焼入れ、焼戻しは、基本的にはＪＩＳ ＳＮＣＭ４３１に適用される条件を踏襲し、以下のように行われる。
焼入れは、インペラ素材の加熱温度をＡ３点〜Ａ３点＋１００℃とし、具体的かつ好ましくは８２０〜８７０℃とすればよい。この加熱温度から行う焼入れは、通常、油冷で行う。ベイナイト変態又はマルテンサイト変態が３５０℃までに開始されているので、この油冷による焼入れは３５０℃まで行われればよい。３５０℃以下の温度になったら油冷よりも冷却速度の遅い冷却方法、例えば空冷としても、フェライト相、パーライト相の生成を回避できる。もっとも、インペラ素材を容易にハンドリングできる温度まで油冷のままにしてもよいことは言うまでもない。油冷によるインペラ素材の冷却速度は、典型的には０．５℃／ｓｅｃであるが、０．１〜１０℃／ｓｅｃの範囲から適宜選択できる。
焼戻しは、インペラ素材を５７０〜６７０℃に加熱して行われる。
【００１９】
［焼入れ後組織］
本発明にかかるインペラ素材は、焼入れ後の組織の８０％以上、好ましくは８５％以上、より好ましくは９０％以上を、降伏応力、低温靭性に優れるベイナイト相又はベイナイト相とマルテンサイト相が占める。そうすることにより、回転機械の高速回転化、低温域での使用に対応する。
ベイナイト相以外に組織を占める相としては高強度なマルテンサイト相とするが、組織に占める割合は４０％以下、好ましくは３０％以下、さらに好ましくは２０％以下とする。一方で、強度の低いフェライト相、パーライト相を含まないことが好ましい。焼入れ後の組織をベイナイト相のみで占めることは事実上困難であり、本発明において最も好ましくは組織の９５％以上をベイナイト相が占めることである。
本発明において、焼入れ後にベイナイト相の占める割合を規定するのは、焼入れ後の工程、具体的には焼戻しにより組織を調整することができず、焼入れ後にフェライト相、パーライト相が組織の中で多くを占めると、焼戻し後にもフェライト相、パーライト相が組織の中で多くを占めることになるからである。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
表１に示す鋼を電気炉にて溶解、鋳造した後に、鍛造を施した。鍛造は、鋳隗を１２５０℃に加熱して、６０％の加工率で行った。得られた鍛造片からオーステナイト結晶粒度（ｄγ）測定用の試料を採取し、オーステナイト結晶粒度を測定した。結果を表１に併せて示す。なお、オーステナイト結晶粒度は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に記載される代表的な方法（旧オーステナイトを腐食→切断法）により測定した。
【００２１】
【表１】
2011127203.tif 000002
【００２２】
次に、試験片を焼入れ（油冷）した。各試料の加熱温度は表２（焼入れ温度）に示す通りである。また、焼入れの冷却速度は、０．５℃／ｓｅｃである。焼入れ後の組織に占める各相の割合（面積率）を腐食液：ナイタールを用いて、電子顕微鏡により測定したＳＥＭ写真を画像解析することにより求めた。その結果を表２に示す。なお、表２の「相」の欄の記号は以下のように定義される。
Ｂ：ベイナイト相、Ｍ：マルテンサイト相、Ｆ：フェライト相、Ｐ：パーライト相
【００２３】
また、焼入れ後の試料について、引張り強さ、降伏応力を測定した。なお、この機械的特性は、ＪＩＳ４号試験片を用いて測定した。その結果を表２に示す。
焼入れ後の試料について、焼入れ性を評価した。この評価はジョミニ−試験片を作製し、焼入れ端から１．０ｍｍ、２０．０ｍｍ、３０．０ｍｍの各距離における硬さを測定したものである。その結果を表２に示す。
また、上記焼入れ後、５８０℃で焼戻しを施した。その焼入れ焼戻し後の試料について、引張り強さ、靭性を測定した。なお、この機械的特性は、引張り強さについては、ＪＩＳ４号試験片を、衝撃値はＪＩＳ３号試験片を用いて測定した。その結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
2011127203.tif 000003
【００２５】
表２より、以下のことが判る。
本発明で規定する化学成分範囲内であれば、ベイナイト相を含む高強度な組織を含むことができる。また、焼入れ焼戻し後の特性値として、引張り強さ８００ＭＰａ以上、シャルピー衝撃値１１．５ｋｇｆ・ｍ／ｃｍ２以上の値を得ることができる。しかし当該化学成分範囲より成分量が少ない場合、十分な焼入れが行われていないため、引張り強さの大きな低下が見られ、強度が低い。また、当該化学成分指定範囲より成分量が多い場合、シャルピー衝撃値の低下が見られ、靭性値が低い。また、当該化学成分範囲内であれば、３０ｍｍ厚程度まで硬さの低下がほとんど見られず、焼入れ性について優れていることが確認できる。
【符号の説明】
【００２６】
１…遠心圧縮機、２…ケーシング、３…シャフト、４…インペラ、５…軸受
【図１】
2011127203.tif 000004
【図２】
2011127203.tif 000005
【図３】
2011127203.tif 000006
【図４】
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【図５】
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