(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｖ：０．１５〜０．２３、Ｗ：１．５〜２．５、Ｔｉ：０．０１〜０．０２、Ｎｂ：０．０１〜０．０８、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５の範囲に調整され、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｔｉ：０．０２（０．０２を含まず）〜０．０３、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項３】
重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｔｉ：０．０２（０．０２を含まず）〜０．０３、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５、Ｎｉ：０．１〜３．０の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項４】
重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｍｏ：０．３〜０．８、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５、Ｎｉ：０．１〜３．０の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂおよびＴｉを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項５】
重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｔｉ：０．０２（０．０２を含まず）〜０．０３、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５、Ｃｕ：０．１〜３．０の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐熱鋼に焼ならし処理を施し、次いで、油冷により３００℃以下まで冷却することからなる熱処理に付して得られたものであることを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項７】
蒸気タービンロータとして用いられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の耐熱鋼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱鋼に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、高度な耐熱性および機械的強度が要求される用途、例えば蒸気タービンロータ、に好適な耐熱性材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力発電設備の高温部品材料として、従来より１Ｃｒ-１Ｍｏ-０．２５Ｖ鋼などの低合金耐熱鋼や１２Ｃｒ-１Ｍｏ-ＶＮｂＮ鋼などの高Ｃｒ系耐熱鋼が多用されている。しかし、近年の火力発電設備は蒸気温度の高温化が急速に進められ、より高強度で耐環境特性等に優れた高Ｃｒ系耐熱鋼の使用が増加してきた。このような高強度鋼を用いることでより高性能のプラントを構成することが可能となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の火力発電プラントは、高い熱効率とともに優れた経済性が要求される傾向にあって、プラント構成材料に対しても従来と同等あるいはそれ以上の機械的性質や製造性を有し、さらに経済性に優れていることが不可欠となりつつある。
【０００４】
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、高温の蒸気環境中で安定な運用ができ、かつ経済性に優れた耐熱鋼を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、低合金耐熱鋼において、高Ｃｒ系耐熱鋼に匹敵する高温強度を有する耐熱鋼を開発すべく研究を行った結果、本発明に至ったものである。
【０００６】
すなわち、本発明による第１の耐熱鋼は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｖ：０．１５〜０．２３、Ｗ：０．５〜２．５、Ｔｉ：０．０１〜０．０２、Ｎｂ：０．０１〜０．０８、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５の範囲に調整され、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなること、を特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明による第２の耐熱鋼は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｔｉ：０．０２（０．０２を含まず）〜０．０３、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなること、を特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明による第３の耐熱鋼は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｔｉ：０．０２（０．０２を含まず）〜０．０３、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５、Ｎｉ：０．１〜３．０の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなること、を特徴とするものである。
また、本発明による第４の耐熱鋼は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｍｏ：０．３〜０．８、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５、Ｎｉ：０．１〜３．０の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂおよびＴｉを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなること、を特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明による第５の耐熱鋼は、重量％で、Ｃ：０．１５〜０．３０、Ｓｉ：０．０５〜０．３、Ｍｎ：０．０１〜０．７、Ｃｒ：１．８〜２．５、Ｗ：１．５〜２．５、Ｖ：０．２３（０．２３を含まず）〜０．３５、Ｔｉ：０．０２（０．０２を含まず）〜０．０３、Ｎ：０．００５〜０．０３、Ｂ：０．００１〜０．０１５、Ｃｕ：０．１〜３．０の範囲に調整され、不純物として含有されるものを除いてはＮｂを含有せず、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなること、を特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明による第６の耐熱鋼は、上記の第１〜第５のいずれかの耐熱鋼に焼ならし処理を施し、次いで、油冷により３００℃以下まで冷却することからなる熱処理に付して得られたこと、を特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明による第７の耐熱鋼は、蒸気タービンロータとして用いられることを特徴とする、第１〜６のいずれかの耐熱鋼である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に組成範囲の限定理由を説明する。なお、以下の説明において組成を表す％は、特に断らない限り重量％とする。
【００１５】
（ａ）  Ｃ
Ｃは、焼入れ性の確保とともに、析出強化に寄与する炭化物の構成元素としても有用な元素であるが、本発明に係わる耐熱鋼では０．１５％未満では上述の効果が小さく、０．３０％を超えると炭化物の凝集が促進されるとともに鋼塊凝固時の偏析が増加するため、その含有量を０．１５〜０．３０％とした。
【００１６】
（ｂ）  Ｓｉ
Ｓｉは、脱酸剤として有用であり、また、耐水蒸気酸化性を向上させる。しかし、その含有量が高い場合は、靭性の低下および脆化を促進するため、この観点からは含有量は可能な限り抑制することが望ましい。本発明に係わる耐熱鋼においてはその含有量が０．３％を超えると上記特性が著しく低下するため、その含有量を０．０５〜０．３％とした。
【００１７】
（ｃ）  Ｍｎ
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素であるが、０．０１％未満では脱硫効果が認められず、０．７％を超えて添加するとクリ−プ強度を低下させるため、その含有量を０．０１〜０．７％とした。
【００１８】
（ｄ）  Ｃｒ
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性に有効であるとともに析出強化に寄与する析出物の構成元素としても有用な元素であるが、本発明に係わる耐熱鋼では１．８％未満では上述の効果が小さく、２．５％を超えると靭性が悪化するため、その含有量を１．８〜２．５％とした。
【００１９】
（ｅ）  Ｖ
Ｖは、固溶強化および微細な炭窒化物の形成に寄与する。本発明に係わる耐熱鋼では０．１５％以上の添加でこれらの微細析出物が十分に析出し回復を抑制する。Ｎｂと複合添加した場合は、０．２３％を超えると靭性の低下を招くとともに炭窒化物の粗大化を促進するため、その含有量を０．１５〜０．２３％とした。Ｎｂの全部をＦｅと置換した場合は、析出強化に寄与する微細炭窒化物の析出密度を確保するため、下限を０．２３％（０．２３を含まず）に増加させる必要があるが、本発明に係わる耐熱鋼では．０．３５％を超えると靭性の低下を招くとともに炭窒化物の粗大化を促進するため、その含有量を０．２３〜０．３５％とした。
【００２０】
（ｆ）  Ｗ
Ｗは、固溶強化とともに炭化物中へ置換し析出強化にも寄与する。Ｗの固溶量を長時間にわたり高く維持するためには１．５％以上の添加が必要であるが、２．５％を超えると靭性の低下およびフェライトの生成を促進するため、その含有量を１．５〜２．５％とした。
【００２１】
（ｇ）  Ｍｏ
Ｍｏは、固溶強化元素および炭化物の構成元素として有用であり、０．３％以上の添加によりその効果が大きくなる。しかし、０．８％以上の添加は本発明の耐熱鋼においては靭性の低下およびフェライトの生成を促進するため、その含有量を０．３〜０．８％とした。
【００２２】
（ｈ）  Ｂ
Ｂは、微量の添加で焼入れ性を高めるとともに、炭窒化物の高温長時間安定化を可能にする。本発明に係わる耐熱鋼ではその効果は０．００１％以上の添加で認められ、結晶粒界およびその近傍に析出する炭化物の粗大化抑制効果を発揮するが、０．０１５％を超えると粗大生成物の形成を促進するため、その含有量を０．００１〜０．０１５％とした。
【００２３】
（ｉ）  Ｎ
Ｎは、窒化物あるいは炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与する。さらに母相中に残存するＮは固溶強化にも寄与するが、本発明に係わる耐熱鋼では０．００５％未満ではこれらの効果が認められない。一方０．０３％以上では窒化物あるいは炭窒化物の粗大化を促進しクリ−プ抵抗が低下するとともに粗大生成物の生成を促進するため、その含有量を０．００５〜０．０３％とした。
【００２４】
（ｊ）  Ｔｉ
Ｔｉは、脱酸材として有用であり、また、微細な炭窒化物の形成に寄与する。本発明に係わる耐熱鋼ではその効果は０．０１％以上の添加で認められるが、Ｎｂと複合添加した場合は０．０２％を超えると粗大な炭窒化物の形成を促進するため、その含有量を０．０１〜０．０２％とした。Ｎｂの全部をＦｅと置換した場合は、析出強化に寄与する微細炭窒化物の析出密度を確保するため、下限を０．０２％（０．０２を含まず）に増加させる必要があるが、本発明に係わる耐熱鋼では．０．０３％を超えると靭性の低下を招くとともに炭窒化物の粗大化を促進するため、その含有量を０．０２〜０．０３％とした。
【００２５】
（ｋ）  Ｎｂ
Ｎｂは、微細炭窒化物を形成することにより析出強化に寄与するが、０．０１％未満ではこれらの効果が得られない。一方０．０８％を超えると偏析や未固溶の粗大なＮｂ（Ｃ，Ｎ）の体積率が増加し靭性の低下や切欠弱化が生じるため、その含有量を０．０１〜０．０８％とした。Ｆｅと置換することによりＮｂを添加したことによる効果は認められなくなるが、本発明に係わる耐熱鋼においては、炭窒化物の形成についてはＶおよび／またはＴｉの添加量を増加させることで代替が可能となる。
【００２６】
（ｌ）  Ｎｉ
Ｎｉは、焼入れ性および靭性を向上させ、本発明に係わる耐熱鋼においては０．１％以上でその効果が認められる。しかし３．０％を超えるとクリ−プ強度を低下させるため、その含有量を０．１〜３．０％とした。
【００２７】
（ｍ）  Ｃｕ
Ｃｕは、焼入れ性および靭性を向上させ、本発明に係わる耐熱鋼においては０．１％以上でその効果が認められる。しかし３．０％を超えると鍛造性を著しく低下させるため、その含有量を０．１〜３．０％とした。
【００２８】
上記成分ならびに主成分であるＦｅを添加する際に付随的に混入する不純物は極力低減することが望ましい。
【００２９】
次に、上記の耐熱鋼を焼ならしの後、油冷により３００℃以下まで冷却することからなる処理に付す理由を説明する。
本発明による耐熱鋼は、フェライト生成元素を比較的多量に含有するために、既存鋼種と比べフェライト生成領域が短時間側に移動している。したがって、既存鋼種の様に焼ならし後に空冷した場合、冷却過程で組織安定性および特性に悪影響を及ぼすフェライトが不可避的に生成する。この現象を回避するために、本発明では焼ならし後に油冷を採用した。また、本発明に係わる耐熱鋼のベイナイト変態終了温度は約３００℃であり、この温度以下にまで冷却することにより、より安定性の優れた金属組織を得ることが可能になる。
【００３０】
本発明で行われる焼ならし処理は、具体的には、９５０℃を上回り１，０７０℃を超えない範囲にて一定時間加熱保持する処理であり、より好ましくは９７０〜１，０５０℃である。９５０℃未満では未固溶の粗大な炭窒化物が残存し、１，０７０℃を超えると有害なフェライト相が生成し易くなるため、この温度域が好ましい。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明を表１に示した化学組成範囲の耐熱鋼を用いた実施例により説明する。
【００３２】
＜実施例１＞
実施例１では、本発明の請求項１記載の化学組成範囲にある第１の耐熱鋼が優れた特性を有することを説明する。
３０ｋｇの供試鋼を真空誘導溶解後、鋳込んだ鋳塊を高温鍛造した後、焼鈍し、続いて焼ならし後、油焼入れを行い、焼戻しを施した。得られた各鋼の化学組成は、表１に示される通りである。
【００３３】
このうち、Ｐ１〜Ｐ４が本実施例に係わる組成範囲にある耐熱鋼であり、Ｃ４およびＣ５はその組成が本発明の請求項１記載の化学組成範囲にない比較例である。これらの各鋼は７５０ＭＰａ程度の引張強さに調整されている。
【００３４】
各鋼について実施したクリープ破断試験における破断時間は、表２に示され通りである。本発明の請求項１記載の組成範囲にある耐熱鋼は、Ｃ４およびＣ５の耐熱鋼より長い破断時間を示した。２０℃におけるシャルピー衝撃試験により得られた衝撃吸収エネルギーは表２に示されている。
本発明の請求項１記載の組成範囲にある耐熱鋼は、Ｃ４およびＣ５の耐熱鋼より高い衝撃吸収エネルギーを示した。
【００３５】
以上のことから、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋼は、同等の引張強さに調整した場合、それ以外の比較例に比べクリープ性質および衝撃性質に優れていることがわかる。
【００３６】
＜実施例２＞
実施例２では、本発明の請求項２記載の化学組成範囲にある第２の耐熱鋼が優れた特性を有することを説明する。
供試鋼の製造方法は、実施例１と同様である。これらの化学組成は表１に示される通りである。
【００３７】
このうち、Ｐ１３が本発明の組成範囲にある耐熱鋼であり、Ｃ３はその組成が本発明の請求項２記載の化学組成範囲にない比較例である。これらの各鋼は７５０ＭＰａ程度の引張強さに調整されている。
【００３８】
各鋼について実施したクリープ破断試験における破断時間は、表２に示される通りである。本発明の請求項２記載の組成範囲にある耐熱鋼は、Ｃ３の耐熱鋼より長い破断時間を示した。２０℃におけるシャルピー衝撃試験により得られた衝撃吸収エネルギーは、表２に示されている。本発明の請求項２記載の組成範囲にある耐熱鋼は、Ｃ３の耐熱鋼より高い衝撃吸収エネルギーを示した。
【００３９】
以上のことから、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋼は、同等の引張強さに調整した場合、それ以外の比較例に比べクリープ性質および衝撃性質に優れていることがわかる。
【００４０】
＜実施例３＞
実施例３では、本発明の請求項３、請求項４および請求項５記載の化学組成範囲にある第３、第４および第５の耐熱鋼が優れた特性を有することを説明する。
供試鋼の製造方法は、実施例１と同様である。これらの化学組成は表１に示されるとおりである。
【００４１】
このうち、Ｐ２０、Ｐ２１およびＰ２４が本発明の請求項３、請求項４および請求項５記載の組成範囲にある耐熱鋼であり、Ｃ８およびＣ９はその組成が本発明の請求項３、請求項４および請求項５記載の化学組成範囲にない比較例である。これらの各鋼は７５０ＭＰａ程度の引張強さに調整されている。
【００４２】
各鋼について実施したクリープ破断試験における破断時間および２０℃におけるシャルピー衝撃試験により得られた衝撃吸収エネルギーは、表２に示されるとおりである。本発明の請求項３、請求項４および請求項５記載の化学組成範囲にある耐熱鋼は、比較例と比べ破断時間および衝撃吸収エネルギーの双方が優れているか、破断時間が短い場合であっても衝撃吸収エネルギーが高かった。
【００４３】
以上のことから、本発明の請求項３、請求項４および請求項５記載の化学組成範囲にある耐熱鋼は、同等の引張強さに調整した場合、それ以外の比較例に比べクリープ性質および衝撃性質に優れているか、もしくは衝撃吸収エネルギーを著しく向上させることができることがわかる。
【００４４】
＜実施例４＞
実施例４では、焼ならし後の冷却に油冷を採用し、３００℃以下まで冷却する理由を説明する。本発明の耐熱鋼のうち、Ｐ１、参考例３、参考例５、参考例１１、参考例１４、参考例１５およびＣ１の鋼を１，０５０℃に加熱し、これらを油冷または空冷して３００℃以下まで冷却することからなる焼入れ処理に付した。得られた各鋼の組織状態は表３に示される通りである。
【００４５】
Ｐ１および本発明の化学組成範囲にない化学組成を有する比較例のＣ１は、フェライト形成元素の含有量が少なく、空冷によってもαフェライトの生成は認められなかった。フェライト形成元素を比較的多量に含有する参考例３、参考例５、参考例１１、参考例１４および参考例１５は、いずれも空冷した場合にはベイナイトとフェライトの混在する組織を呈した。このように、油冷による焼ならし処理を行うことにより、ベイナイト単相組織を得ることができた。
【００４６】
以上のことから、本発明に係わる耐熱鋼においては、本発明の熱処理方法を採用することにより、均一なベイナイト単相組織を得られることがわかる。
【００４７】
上記の通りの本発明による耐熱鋼は、その優れた耐熱性および機械的強度を利用して、各種の用途に利用することができる。
【００４８】
本発明による耐熱鋼の特に好ましい用途は、蒸気タービンロータの形成材料としての用途である。その場合の耐熱鋼の具体的組成ならびに焼ならし条件等は、蒸気タービン形成材料として要求される各種性能、加工性、耐久性、経済性、その他に応じ、上記した範囲内において適宜変更することができる。
【００４９】
【表１】
0003955719.tif 000002
【表２】
0003955719.tif 000003
【表３】
0003955719.tif 000004
【００５０】
【発明の効果】
以上の結果、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋼、本発明の熱処理方法およびこの耐熱鋼からなる蒸気タービンロータは、優れた高温強度および衝撃性質を有しており、蒸気タービンの性能、運用性、経済性の向上に貢献できる等、産業上有益な効果がもたらされる。