(57)【要約】【課題】ニオブ含有低合金耐熱鋼製の部品を製造するときにしばしば生じる鍛造時のワレを解決し、鍛造を含む加工工程におけるワレの発生を予防した耐熱鋼部品と、その製造方法を提供すること。【解決手段】Ｎｂ：０．０１〜０．１０％を含有するニオブ含有低合金耐熱鋼を対象に、晶出したＮｂＣの少なくとも一部をソーキングによりマトリクス中に固溶させ、ついで鍛造および必要な機械加工を施すとき、晶出したＮｂＣの６０％以上を固溶させる。固溶進行率を次の式により推定し、加熱温度・時間を決定することにより、ソーキングを効率よく行なう。Ｓ＝１−ｅｘｐ［｛−２．７２×１０１６ｅｘｐ（−６．４１×１０５／ＲＴ）｝×ｔ］ただし、Ｓ：固溶進行率　Ｔ：鋼塊の温度（Ｋ）　ｔ：時間（秒）　Ｒ：気体定数＝８．３１１４【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量で、Ｃ：０．３〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：１．５％以下およびＶ：０．５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる合金組成のニオブ含有低合金耐熱鋼を、鍛造を含む加工により成形してなる部品であって、その中のＮｂＣの面積率が０．００４％以下である部品。
【請求項２】
Ｎｂ：０．０４〜０．０８％である請求項１の部品。
【請求項３】
重量で、Ｃ：０．３〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：１．５％以下およびＶ：０．５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる合金組成のニオブ含有低合金耐熱鋼を鋼塊に鋳造し、晶出したＮｂＣの少なくとも一部をソーキングによりマトリクス中に固溶させ、ついで鍛造および必要な機械加工を施すことからなる部品の製造方法において、晶出したＮｂＣの６０％以上を固溶させることにより、鍛造時に生じ得るワレを防止して部品を得ることを特徴とするニオブ含有低合金耐熱鋼の部品の製造方法。
【請求項４】
ソーキング中におけるＮｂＣの固溶の進行状況を下記の固溶進行率の式に基づいて推定し、
Ｓ＝１−ｅｘｐ［｛−２．７２×１０１６ｅｘｐ（−６．４１×１０５／ＲＴ）｝×ｔ］
ここで、Ｓ：固溶進行率　Ｔ：鋼塊の温度（Ｋ）
ｔ：時間（秒）　Ｒ：気体定数＝８．３１１４
ソーキングの温度および時間を決定して実施する請求項３の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニオブ含有低合金耐熱鋼の鋼塊に、鍛造を含む加工を施して製造した機械構造用の部品に関する。本発明はまた、そのような部品の、工業的に有利な製造方法にも関する。本発明において「部品」とは、最終的な機械部品に限らず、さらなる加工を加える余地のある素材を包含する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば発電用ガスタービンのディスク（翼車板）を製造する工程をとり上げてみると、低合金耐熱鋼の比較的大きな鋼塊を用意し、それに鍛造を含む加工を施してほぼ製品サイズの素材とし、それを機械加工することによって部品としている。低合金耐熱鋼としては、所定量のニオブを添加した合金が好んで使用されている。よく知られているとおり、Ｎｂは鋼の組織を微細にし、靱性を高くする作用があるからである。
【０００３】
ところが、Ｎｂの添加は、その炭化物ＮｂＣの生成を招く。上記のように、鋼塊は比較的大きく、代表的なものは１５トン程度あるから、鋳造後の冷却は速やかに進まず、生成したＮｂＣのかなりの部分が晶出する。ＮｂＣが晶出した鋼塊をそのまま鍛造すると、ワレが生じやすい。内部にワレをもつ加工品は使用中に破損して大事故につながる危険があるから、加工後に超音波検査をして見つけだし、不良品として再溶解に回すしかない。かなりな程度に加工を施した後に不良品であることが判明するのでは、そのしわ寄せを受ける良品の製造コストが高くなることはいうまでもなく、そのような事態はなるべく避けたい。
【０００４】
そこで、鋼塊を加工するに先立ってソーキングを行ない、晶出したＮｂＣを鋼の基地中に固溶させて、ワレを予防することが行なわれている。通常は、１２００℃以上の温度に、少なくとも２０時間保持する熱処理を行なう。しかし、十分な固溶を実現しようとして、高温かつ長時間のソーキングを行なうことが省エネルギーの要請に反し、コストの観点からも不利であることは当然であり、効果的な改善策が求められていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ニオブ含有低合金耐熱鋼製の部品を製造するときの懸案であった上記の問題を解決し、鍛造を含む加工工程におけるワレの発生を予防した耐熱鋼部品と、その製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明のニオブ含有低合金耐熱鋼部品は、重量で、Ｃ：０．３〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：１．５％以下およびＶ：０．５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる合金組成のニオブ含有低合金耐熱鋼を、鍛造を含む加工により成形してなる部品であって、その中のＮｂＣの面積率が０．００４％以下の部品である。
【０００７】
上記のようなニオブ含有低合金耐熱鋼の部品を製造する本発明の方法は、重量で、Ｃ：０．３〜１．０％、Ｎｂ：０．０１〜０．１０％、Ｎｉ：１．０％以下、Ｃｒ：３．０％以下、Ｍｏ：１．５％以下およびＶ：０．５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる合金組成のニオブ含有低合金耐熱鋼を鋼塊に鋳造し、晶出したＮｂＣの少なくとも一部をソーキングによりマトリクス中に固溶させ、ついで鍛造および必要な機械加工を施すことからなる部品の製造方法において、晶出したＮｂＣの６０％以上を固溶させることにより、鍛造時に生じ得るワレを防止して部品を得ることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施形態】
本発明の部品の材料となるニオブ含有低合金耐熱鋼の合金組成を上記のように定めた理由は、つぎのとおりである。
【０００９】
Ｃ：０．３〜１．０％
部品に要求される強度を確保する上で、０．３％以上のＣが必要である。過大なＣの存在は、ＮｂＣの晶出量を増し、固溶による消失を困難にするから、１．０％を超える多量のＣを添加すべきでない。
【００１０】
Ｎｂ：０．０１〜０．１０％
前述のように、Ｎｂは結晶粒度を微細にする作用があり、部品の靱性を高める上で重要な成分である。Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼において、０．０７％のＮｂを添加したものは、無添加のものにくらべて、焼き入れ温度９１０〜９７０℃の範囲において、結晶粒度が０．５〜１程度高くなるということが知られている。この結晶粒微細化効果は、Ｎｂ：０．０１％以上の添加でみとめられるが、添加量を増しても飽和する。好ましい添加量の範囲は、０．０４〜０．０８％である。
【００１１】
Ｎｉ：１．０％以下
Ｎｉは焼き入れ性を高めて、部品の強度を増す。効果が飽和することと、コストの面から、１．０％を添加量の上限とする。
【００１２】
Ｃｒ：３．０％以下
Ｃｒは、焼き入れ性を高め、焼き戻し抵抗を増す。上限値３．０％は、コストの観点から設定した。
【００１３】
Ｍｏ：１．５％以下
Ｍｏは高温における硬さと強度を高める元素であり、耐熱鋼にとって重要な成分である。費用対効果の観点から、添加量は１．５％までに止めるのが得策である。
【００１４】
Ｖ：０．５％以下
Ｎｂとともに、結晶粒の微細化に役立つ。この効果は、０．５％を超える添加では飽和する。
【００１５】
晶出したＮｂＣの６０％以上を固溶させることの意義は、もちろん、ＮｂＣの面積率０．００４％以下の鋼材を得ることにあるが、この６０％という限界は、後記するつぎの実験結果から得られた知見である。すなわち、固溶進行率と欠陥率との関係をプロットして得た図１のグラフに見るように、固溶進行率が６０％以上になれば、欠陥率が実質上ゼロになるというデータである。
【００１６】
固溶進行率が６０％以上となったことが確実であれば、それ以上ソーキングを続ける意味はなくなるが、問題は、それを如何にして決定するかである。発明者らは、ソーキング中におけるＮｂＣの固溶の進行状況は、下記の固溶進行率の式に基づいて推定できることを見出し、
Ｓ＝１−ｅｘｐ［｛−２．７２×１０１６ｅｘｐ（−６．４１×１０５／ＲＴ）｝×ｔ］
ここで、Ｓ：固溶進行率　Ｔ：鋼塊の温度（Ｋ）
ｔ：時間（秒）　Ｒ：気体定数＝８．３１１４
それに基づいてソーキングの温度および時間を決定することにより、効率のよいエネルギー消費量をもって、欠陥のない、または欠陥を生じるおそれのない鍛造用の素材を取得する技術を確立した。
【００１７】
上記の式において、鋼塊の温度（Ｔ）は、定常状態においては加熱炉の雰囲気温度であるが、ソーキングの開始時には冷えた鋼塊を装入するわけで、それが実質上雰囲気温度に到達するまでには、当然に時間がかかる。容易に理解されるとおり、鋳型に注がれた溶鋼が凝固して鋼塊となったばかりは、まだ高温であるから、なるべく早くソーキングに移行することが、消費熱量の点で有利である。ところが、早期の加熱炉装入は、単に、冷えたものを再度高温にするのが容易であるという効果を超えた、欠陥率の低減をもたらすことが判明した。これは、いったん冷えて晶出したＮｂＣを固溶させるより、ＮｂＣの晶出をできるだけ抑えるのが有利であることを物語っている。
【００１８】
【実施例】
下記の合金組成（重量％、残部Ｆｅおよび不純物）をもつＮｂ含有低合金耐熱鋼を溶製し、
Ｃ：０．３１％、Ｓｉ：０．１％、Ｍｎ：０．７％、Ｎｉ：０．７％、Ｃｒ：２．３５％、Ｍｏ：１．０２％、Ｖ：０．２０％およびＮｂ：０．０５％
１５トンの鋼塊に鋳造したものを対象に、１２４０〜１３５０℃の範囲で種々の温度において、５〜１０時間にわたるソーキングを行なった。鋼塊を輪切りにして四分し、それらについてＮｂＣの面積率を測定した結果にもとづき、固溶進行率を算出した。
【００１９】
「ＮｂＣの面積率Ａ」は、１０ｍｍ×１０ｍｍの顕微鏡視野を観察して、つぎのように算出する。
Ａ＝Ｂ０／Ｂｔ×１００（％）
ここで、Ｂ０：視野に存在するＮｂＣの面積の合計
Ｂｔ：視野の面積＝１００ｍｍ２
固溶進行率Ｓは、つぎのように定義する。
Ｓ＝（Ａ０−Ａ１）／Ａ０×１００（％）
ここで、Ａ０：ソーキング前のＮｂＣ面積率
Ａ１：ソーキング後のＮｂＣ面積率
【００２０】
さまざまな固溶進行率における合金の欠陥の有無を、超音波探傷器でしらべ、欠陥率を算出した。ＮｂＣの固溶進行率と鋼片の欠陥率との関係をプロットして得たのが、図１のグラフである。ＮｂＣ面積率から算出した固溶進行率Ｓと、ソーキングの条件である鋼材温度（加熱炉雰囲気温度）Ｔおよび加熱時間ｔとの関係を二重回帰分析によって導いたのが、前記したＳ＝ｆ（Ｔ，ｔ）の式である。
【００２１】
速やかなＮｂＣの固溶を実現するには、従来のソーキングより若干高い温度を採用する方が有利であることが、発明者らの経験により明らかになった。具体的には、従来のソーキングが、経験的に定めた、代表的には１２００℃内外に２０〜２４時間加熱するという条件を採用していたのに対し、本発明の実施に当たっては、１２４０〜１３５０℃の温度で、５〜１０時間の加熱を行なうのがよい。より高い加熱温度の採用は、単位時間の消費エネルギー量を増すが、加熱時間の短縮により、補って余りある節約ができる。
【００２２】
前掲のＳ＝ｆ（Ｔ，ｔ）式は、Ｎｂ含有量が０．０１〜０．１０％のニオブ含有低合金耐熱鋼に一般に適用されるので、ソーキングの加熱炉雰囲気温度Ｔを決定すれば、時間ｔの進行に伴う固溶進行率Ｓが算出される。Ｓが６０％を超えるために必要なソーキング時間の例を示せば、つぎのとおりである。
ソーキング温度（℃）　１２００　１２４０　１２６０　１２８０　１３００　１３２０　１３４０
ソーキング時間（ｈｒ）　　６２５　　１５５　　８５　　４２　　２３　　１３　　　７
【００２３】
【発明の効果】
本発明にしたがうニオブ含有低合金耐熱鋼製の部品は、晶出しているＮｂＣの量を、面積率にして０．００４％という臨界的な値以下におさえることにより、加工工程において鍛造を行なっても割れを生じる危険が、画期的に低くなったものである。割れにくい材料を加工することにより、加工中に割れて不良品が発生する率を、顕著に低減することができる。良品歩留まりの向上が、生産の効率化とコストの低減に寄与することはいうまでもない。
【００２４】
割れにくいニオブ含有低合金耐熱鋼製の部品を製造する本発明の方法は、晶出したＮｂＣをソーキングによりマトリクス中に固溶させるに当り、固溶進行率が６０％以上になれば、欠陥率つまり加工中に割れをもたらすＮｂＣが、問題のない程度に減少するという臨界的な事実の発見を基礎として、固溶進行率を推定する式を二重回帰分析により見出して、ムダのないソーキングを実施できるようにした製造方法である。これにより、単に経験的に割り出したソーキング温度および時間の条件を採用してきたため、エネルギーのムダが多いという従来技術の欠点が解消し、省エネの要請に応えることができた。これもまた、耐熱鋼製部品の製造コスト低減に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成立の過程で得た実験データであって、ニオブ含有低合金耐熱鋼に晶出したＮｂＣの固溶進行率と、鋼片の欠陥率との関係をプロットしたグラフ。
【図１】
2004131793.tif 000002