(57)【要約】    【課題】より高い耐食性および耐応力腐食割れ性を持つ動翼を備えた地熱蒸気タービンロータを提供する。    【解決手段】この発明の地熱蒸気タービンロータ１は、外周部に動翼を嵌め込むための複数の嵌め込み部３が形成されたロータ本体２と、嵌め込み部３と嵌り合うクリスマスツリー形の翼脚６をそれぞれの基部に有する複数の動翼５とを備える。動翼５には重量％でＣ：０．０５％以下，Ｓｉ：０．１０〜０．３５％，Ｍｎ：０．３０〜０．６０％，Ｐ：０．０２５％以下，Ｓ：０．００５％以下，Ｎｉ：４．２〜５．００％，Ｃｒ：１５．００〜１６．００％，Ｃｕ：３．００〜３．７０％，Ｎｂ：０．２０〜０．３５％を含有し、残部がＦｅおよび付随的不鈍物よりなり、１０２０〜１０５０℃の溶体化処理，８２５〜８４５℃の焼き鈍し処理および６１０〜６３０℃の析出硬化処理の熱処理が順次施された合金鋼が用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動翼を嵌め込むための複数の嵌め込み部が外周部に形成されたロータ本体と、前記嵌め込み部と嵌り合う複数の動翼とを備えた地熱蒸気タービンロータにおいて、
それぞれの前記動翼は重量％でＣ：０．０５％以下（零を含まず。），Ｓｉ：０．１０〜０．３５％，Ｍｎ：０．３０〜０．６０％，Ｐ：０．０２５％以下（零を含まず。），Ｓ：０．００５％以下（零を含まず。），Ｎｉ：４．２〜５．００％，Ｃｒ：１５．００〜１６．００％，Ｃｕ：３．００〜３．７０％，Ｎｂ：０．２０〜０．３５％を含有し、残部がＦｅおよび付随的不鈍物である合金鋼よりなり、析出元素・固溶元素を拡散させるためなどの熱処理である溶体化処理工程と，前記溶体化処理工程の後に行われてこの溶体化処理で前記合金鋼に生じた転位を解消させるためなどの熱処理である焼き鈍し処理工程と，前記焼き鈍し処理工程の後に行われて材料強度と耐腐食性の両方を調整するためなどの熱処理である析出硬化処理工程とを含む熱処理が施されてなることを特徴とする地熱蒸気タービンロータ。
【請求項２】
請求項１に記載の地熱蒸気タービンロータにおいて、前記溶体化処理工程の熱処理は１０２０〜１０５０℃で１時間程度以上の間加熱されることで行われ、前記焼き鈍し処理工程の熱処理は８２５〜８４５℃で１時間程度以上の間加熱されることで行われ、前記析出硬化処理工程の熱処理は６１０〜６３０℃で３時間程度以上の間加熱されることで行われることを特徴とする地熱蒸気タービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は地熱蒸気タービンのロータに係わり、孔食，腐食減肉，腐食疲労，応力腐食割れなどの発生を防ぐようにしたその動翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の地熱蒸気タービンロータでは、地熱蒸気の凝縮液（地熱蒸気に含まれる微量の塩素・硫化水素などの腐食性成分が濃縮されて含まれることで、腐食性が強い。）による腐食あるいはこれ等が主因での亀裂や割れの発生などに対処するために、強度性能と耐食性能に優れた１２％Ｃｒ鋼をタービンロータに使用したり（例えば、特許文献１参照。)、タービンロータの動翼に使用したりしている（例えば、特許文献２参照。)。
【特許文献１】特開平８−３６９５号公報（第２，３頁、第１表）
【特許文献２】特開平７−１９７６２号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来から使用されているＣｒ含有率が１２％程度のＣｒ鋼（例えば、１２％Ｃｒ鋼あるいは１３％Ｃｒ鋼など。）は、硫化水素・塩素などの腐食成分の濃度が高い環境に曝されると、水素脆化を伴う硫化物応力腐食割れや，孔食などが発生するなど、耐応力腐食割れ性・耐孔食性が十分でない場合もあり、耐食性能のさらなる向上が望まれていた。また、高強度でかつ耐食性の良好な材料としてＪｌＳ規格のＳＵＳ６３０鋼などの析出硬化型ステンレス鋼が知られている。しかし、析出硬化型ステンレス鋼は耐孔食性には優れているが、切欠き感受性が強い，デルタフェライトが発生する，残留オーステナイトが発生するなどにより耐応力腐食割れ性に劣ることがこの発明の発明者によって確認されており、地熱蒸気タービンロータの動翼に使用することはできない。
【０００４】
この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされ、その目的は、より高い耐食性および耐応力腐食割れ性を持つ動翼を備えた地熱蒸気タービンロータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明では前述の目的は、
１）動翼を嵌め込むための複数の嵌め込み部が外周部に形成されたロータ本体と、前記嵌め込み部と嵌り合う複数の動翼とを備えた地熱蒸気タービンロータにおいて、
それぞれの前記動翼は重量％でＣ：０．０５％以下（零を含まず。），Ｓｉ：０．１０〜０．３５％，Ｍｎ：０．３０〜０．６０％，Ｐ：０．０２５％以下（零を含まず。），Ｓ：０．００５％以下（零を含まず。），Ｎｉ：４．２〜５．００％，Ｃｒ：１５．００〜１６．００％，Ｃｕ：３．００〜３．７０％，Ｎｂ：０．２０〜０．３５％を含有し、残部がＦｅおよび付随的不鈍物である合金鋼よりなり、析出元素・固溶元素を拡散させるためなどの熱処理である溶体化処理工程と，前記溶体化処理工程の後に行われてこの溶体化処理で前記合金鋼に生じた転位を解消させるためなどの熱処理である焼き鈍し処理工程と，前記焼き鈍し処理工程の後に行われて材料強度と耐腐食性の両方を調整するためなどの熱処理である析出硬化処理工程とを含む熱処理が施されてなること、または、
２）前記１項に記載のロータにおいて、前記溶体化処理工程の熱処理は１０２０〜１０５０℃で１時間程度以上の間加熱されることで行われ、前記焼き鈍し処理工程の熱処理は８２５〜８４５℃で１時間程度以上の間加熱されることで行われ、前記析出硬化処理工程の熱処理は６１０〜６３０℃で３時間程度以上の間加熱されることで行われることにより達成される。
【発明の効果】
【０００６】
この発明による地熱蒸気タービンロータでは、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、その動翼に用いた合金鋼は十分な材料強度性能と共に、格段に高い耐腐食性能，耐孔食性能，耐応力腐食割れ性能を有し、地熱蒸気タービン用動翼として十分な特性を備えている。したがって、この発明の地熱蒸気タービンロータは、地熱蒸気の凝縮液が存在する状況で使用されても高信頼性，長寿命を得られるとの効果を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下この発明の実施の形態を図表を参照して詳細に説明する。図１はこの発明の実施の形態の一例による地熱蒸気タービンロータの要部を示す一部破断した概略構成図である。図１において、１は、外周部に動翼を嵌め込むための複数の嵌め込み部（翼溝などと呼ばれる場合もある。）３が形成されたロータ本体２と、嵌め込み部３と嵌り合うクリスマスツリー形の翼脚６をそれぞれの基部に有する複数の動翼５とを備えたこの発明による地熱蒸気タービンロータである。この事例の場合には、ロータ本体２には１％Ｃｒ含有率のクロム鋼系の鋼材が用いられ、動翼５には前記「課題を解決するための手段」の項に記載した化学成分ならびに熱処理が施された合金鋼が用いられている。この合金鋼は、例えば、前記化学成分の組成材をエレクトロスラグ溶解炉にて溶製し、前記処理条件の熱処理により材料強度調整、耐腐食性調整が行われている。
【０００８】
発明者は、前記「発明が解決しようとする課題」の項で述べた１２％Ｃｒ鋼などや析出硬化型ステンレス鋼（ＳＵＳ６３０鋼など。）の問題点を克服できて、より高い耐食性および耐応力腐食割れ性を合わせ持つ合金鋼を得るべく鋭意研究する中で、下記のことを見出してこの発明に到達した。すなわち、地熱蒸気タービンロータの動翼用合金鋼として１２％Ｃｒ鋼などに替わる有力候補の硬化型ステンレス鋼が持つ耐応力腐食割れ性に劣ると言う問題点は、この鋼材の特長の一つである高強度を持たせるために行われている溶体化処理に伴って生じる転位の存在が原因であり、この転位を解消できれば硬化型ステンレス鋼に高い耐応力腐食割れ性を持たせられることを見出した。すなわち、転位が存在している部位は腐食発生の核になり易く、内部応力も高くなることで腐食が促進されて、耐応力腐食割れ強度が低下する。したがって、この発明による合金鋼は、溶体化処理の後に、この溶体化処理により合金鋼に形成された転位を解消するための焼き戻し処理を実施することを特徴としている。
【０００９】
そうして、析出硬化型ステンレス鋼からの転位の解消は材料強度レベルの低下を伴うことにはなるが、ＳＵＳ６３０鋼などでは転位を解消させても地熱蒸気タービンロータの動翼用材料に必要な材料強度レベルを十分に確保でき、しかも、元々持つ高い耐食性に加えて、新たに高い耐応力腐食割れ性を持たせことができる。なお、この発明による合金鋼では材料強度，耐食性などの一層の向上を図る見地から、その化学成分はＳＵＳ６３０鋼の化学成分から若干の見直しを行ったものを採用している（表１を参照。）。
【００１０】
【表１】
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また、この発明による合金鋼では析出硬化処理により形成されるマルテンサイトラス内にＣｕが析出されるが、この析出されるＣｕ粒径には最適粒径があり０．０５μｍ程度であること、析出されるＣｕ粒径を０．０５μｍ程度に制御すると耐孔食性・耐応力腐食割れ性が飛躍的に向上すること、および、析出されるＣｕ粒径を０．０５μｍ程度にするには析出硬化処理温度を６２０℃程度に設定すればよいことも、発明者は見出した。したがって、この発明による合金鋼では析出硬化処理温度を６２０℃程度に設定することも特徴としている。なお、この発明による合金鋼では結晶粗大化などの問題が生じないようにするために、溶体化処理の温度条件もＳＵＳ６３０鋼の場合に対して見直されたものを採用している（表２を参照。）。
【００１１】
【表２】
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このようにして得られたこの発明による合金鋼は、地熱蒸気タービンロータの動翼用鋼材として十分に高い強度性能を持ち、しかも、耐腐食性能，耐孔食性能，耐応力腐食割れ性能などの地熱蒸気タービンロータの動翼用鋼材に必要な耐食性に関連する諸特性は格段に高い性能を有している。この発明による合金鋼の化学成分および熱処理条件の限定理由を詳細に述べると下記の通りである。なお、以下の説明における化学成分の割合は重量％を意味する。
（１）化学成分
1)Ｃ（炭素）：Ｃはこの発明の合金鋼の強度を確保するために必要なマルテンサイト組織を得るために必要であるが、０．０５％を超えて含有するとＣｒ炭化物が多く析出し、Ｃｒ酸化皮膜の均一性が劣化するため、０．０５％以下（零を含まず。）とする。
2)Ｓｉ（ケイ素）：Ｓｉは脱酸剤として有効な成分であり，デルタフェライトの成長も助長するので微量添加するが、多量の添加は強度と靭性を低下させ，耐腐食性をも低下させるため、０．１０〜０．３５％の範囲とする。
3)Ｍｎ（マンガン）：Ｍｎは脱酸剤として有効な成分であり、焼入性，切削性も向上させると共に、有害なＳ（硫黄）をＭｎＳ（硫化マンガン）にする作用があるので微量添加するが、多量のＭｎＳは耐食性を低下させると共に，孔食の起点となるため、０．３０〜０．６０％の範囲とする。なお、ＳをＭｎと結合させてＭｎＳ化することで、Ｓの有害性を除去できる。
4)Ｎｉ（ニッケル）：Ｎｉは耐孔食性，靭性を向上させ、高温でオーステナイトを安定化させることでマルテンサイト組織を得るのに必要であり、また、耐食性・耐孔食性に劣るデルタフェライトの生成を抑制する効果があるため、一定量が必要である。しかし、５％を超えると残留オーステナイトが増加し、強度低下、特に耐力の低下を招き、また、耐応力腐食強度が低下する（切欠き感受性大）ため、４．２〜５．００％の範囲とする。
5)Ｃｒ（クロム）：Ｃｒは機械的性質および耐酸化性、耐食性を向上させるために最も重要な元素である。耐食性の観点から、添加量は多い方が良いが１６．０％を超えるとデルタフェライトの形成を抑えられなくなるため、１５．００〜１６．００％とする。
6)Ｃｕ（銅）：Ｃｕは時効処理によって微細な析出物を形成し強度を高める効果が有ると共に、耐食性を向上させる。強度および耐食性を共に得るためには３．００％以上必要であるが、３．７０％を超えると切欠き感受性が高くなり耐応力腐食割れ性に劣るようになるため、３．００〜３．７０％とする。
7)Ｎｂ（ニオブ）：Ｎｂは鋼中のＣをＮｂＣとして固定することで結晶粒界へのＣｒ炭化物の析出を抑制することにより、耐腐食性を向上させる。しかし、粗大なＮｂＣ析出物は熱間加工性を阻害するため、０．２０〜０．３５％とする。
8)不純物元素〔Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）〕の制限：Ｓ，Ｐの不純物元素は有害であり、特にＳはＭｎＳを作ることにより耐孔食性を著しく低下させる。Ｍｎは前記理由により微量添加が必要なため、Ｓの量を低く制限することが耐孔食性を維持させるためには必要である。
（２）熱処理条件
1)溶体化処理：溶体化処理の温度条件は、析出元素，固溶元素を十分に拡散させるためには１０２０℃以上の温度が必要であるが、１０５０℃を超える温度では結晶粗大化などの問題が生じるため、１０２０〜１０５０℃とする。溶体化処理時間は、動翼５の全体が所定温度に０．５ｈ以上保持されるようにするために１ｈ程度以上とし、その後に急冷する。
2)焼き鈍し処理：焼き鈍し処理を行って転位をなくすることで、高強度化の抑制を許容しても、応力腐食割れ強度の向上を図った。この場合、Ｃｕは耐食性の向上に有用なので、これを生かして用いるようにした。焼き鈍し処理の前後で動翼５の合金鋼を透過型電子顕微鏡によって観察し、焼き鈍し処理の有無による差異を評価した。図２は焼き鈍し処理後の前記合金鋼の透過型電子顕微鏡による断面組織写真であり、図３は焼き鈍し処理前の前記合金鋼の透過型電子顕微鏡による断面組織写真である。図２，図３では、転位は転位密集部（写真では黒く見える部位。）に多数が存在している。焼き鈍し処理前では転位密集部のサイズが大きく，かつその個数が多く、局所に存在（図３を参照。）しているのに対し、焼き鈍し処理後では転位密集部のサイズが小さく，かつその個数が少なくなってまばらに分布していて均質化されている（図２を参照。）ことが分かる。
【００１２】
焼き鈍し処理の温度条件は、８２５℃より低い温度ではＣｕの安定析出，耐応力腐食割れ性の向上への寄与が小さく、８４５℃を超える温度では結晶粗大化などの問題が生じるため、８２５〜８４５℃とする。焼き鈍し処理時間は、動翼５の全体が所定温度に０．５ｈ以上保持されるようにするために１時間程度以上とし、その後に空冷する。
3)析出硬化処理：動翼５では、強度の最適化，応力腐食割れ感受性を低くするなど、材料強度調整と耐腐食性調整の両方を目的に析出硬化処理が行われる。析出硬化処理により形成されるマルテンサイトラス内に析出するＣｕの粒径と分散状態は析出硬化温度により決まるので、最適なＣｕ粒径０．０５μｍ程度を得るために、析出硬化処理温度は６２０℃程度とした。
【００１３】
動翼５の析出硬化処理後の合金鋼の断面組織の処理温度値による差異を透過型電子顕微鏡によって観察し評価した。図４はこの発明の温度条件（６２０℃）で析出硬化処理を実施した場合の透過型電子顕微鏡による断面組織写真であり、図５は従来の温度条件（５８０℃）で析出硬化処理を実施した場合の透過型電子顕微鏡による断面組織写真である。
【００１４】
図５を視察すると、従来温度条件による析出硬化処理を行った場合には、Ｃｕ粒径がばらついている。なお図５では図２，図３よりも倍率が５倍大きいこともあり、図５中には若干の転位が認められる。これに対して、図４を視察すると、本発明温度条件による析出硬化処理を行った場合には、析出されたＣｕ粒径が０．０５μｍ程度に揃っていると共に、Ｃｕ粒の分散状態が所望のものになっていることが分かる。析出硬化処理の温度条件は、６１０℃より低いと材料強度および耐力が高くなるが応力腐食割れ感受性も高くなり、６３０℃より高いと耐力が低下して所望の材料強度が得られず，耐孔食性も低下するために、６１０〜６３０℃とする。析出硬化処理時間は、動翼５の全体が所定温度に十分長い時間保持されるようにするために３時間程度以上とし、その後に空冷する。
【００１５】
図１に示すこの発明の実施の形態の一例による地熱蒸気タービンロータ１では前述の構成とし、高い耐食性を持つ析出硬化型ステンレス鋼を基にして転位を解消し，高い耐応力腐食割れ性を合わせ持たせた合金鋼を動翼５に用いるようにしている。発明者は前記したこの発明による合金鋼の地熱蒸気の腐食性液に対する耐食性能を、比較鋼（ＪＩＳ−ＳＵＳ６３０鋼）および従来鋼（１３％Ｃｒ鋼）と比較評価した。この比較評価試験は、地熱蒸気の凝縮液とほぼ同等の成分比率の腐食性成分を、実際の地熱蒸気の凝縮液の場合よりも濃厚になるように調整して蒸留水と混合して作成した試験液中で応力腐食割れ試験および孔食発生試験を実施することで行った。その結果例を表３に示す。また、この比較評価試験に用いた各鋼材の試料の化学成分を表４に、熱処理条件を表５に示す。比較評価試験に用いたこの発明による合金鋼は、エレクトロスラグ溶解法により不純物の量を制限して造塊し、溶解後に熱間圧延を行い、その後に１０３５℃で溶体化処理，８３５℃で焼き鈍し処理，６２０℃で析出硬化処理を施している。
【００１６】
【表３】
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【００１７】
【表４】
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【００１８】
【表５】
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表３を視察することで、この発明による合金鋼は３９２．３ＭＮ／ｍ２の試験応力値で比較鋼よりも１０倍を超える長い応力腐食割れ寿命が得られと共に、従来鋼よりも約２倍長い応力腐食割れ寿命が得られており、耐応力腐食割れ性が高いことが分かる。また、この発明による合金鋼の５００ｈでの発生孔食数は従来鋼の約１／４０という極めて小さい数値が得られると共に、高耐孔食性を持つことが確認されている比較鋼の場合の３／４である。これ等のことから、この発明による合金鋼は、耐孔食性が従来鋼に対して極めて向上されると共に、比較鋼に対しては耐応力腐食割れ性が格段に高いことが分かる。
【００１９】
前述の説明では、動翼５が有する翼脚６の形状はクリスマスツリー形であるとしてきたがこれに限定されるものではなく、Ｔ字形など適宜の形状を採用できる。また前述の説明では、ロータ本体２には１％Ｃｒ含有率のクロム鋼系の鋼材が用いられとしてきたがこれに限定されるものではなく、地熱蒸気タービンに適合する材料であるならば適宜の材料をロータ本体２に採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態の一例による地熱蒸気タービンロータの要部を示す一部破断した概略構成図
【図２】図１による地熱蒸気タービンロータの動翼の，焼き鈍し処理後の合金鋼の透過型電子顕微鏡による断面組織写真
【図３】図１による地熱蒸気タービンロータの動翼の，焼き鈍し処理前の合金鋼の透過型電子顕微鏡による断面組織写真
【図４】図１による地熱蒸気タービンロータの動翼の，この発明の温度条件で析出硬化処理を実施した場合の透過型電子顕微鏡による断面組織写真
【図５】図１による地熱蒸気タービンロータの動翼の，従来の温度条件で析出硬化処理を実施した場合の透過型電子顕微鏡による断面組織写真
【符号の説明】
【００２１】
１    地熱蒸気タービンロータ
２    ロータ本体
３    嵌め込み部
５    動翼
６    翼脚
【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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