(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｃ：０．１３〜０．１７、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．３〜０．７、Ｎｉ：０．４〜０．８、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．８〜１．２、Ｗ：０．８〜１．５、Ｎ：０．０３〜０．０６の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｂを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項２】
重量％で、Ｃ：０．０８〜０．１３、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．０１〜０．３、Ｎｉ：０．１〜０．４、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．５〜０．８、Ｗ：１．５〜２．０、Ｎ：０．０１〜０．０３の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｂを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項３】
重量％で、Ｃ：０．０８〜０．１３、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．３〜０．７、Ｎｉ：０．４〜０．８、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．０５〜０．５、Ｗ：２．０〜３．０、Ｎ：０．０１〜０．０３の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｂを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼。
【請求項４】
重量％で、Ｂ：０．００５〜０．０１５をさらに含有することを特徴とする、請求項１に記載の耐熱鋼。
【請求項５】
重量％で、Ｃｏ：１．５〜３．５及びＢ：０．００５〜０．０１５をさらに含有することを特徴とする、請求項２に記載の耐熱鋼。
【請求項６】
重量％で、Ｒｅ：０．１〜０．６、Ｃｏ：０．５〜１．５及びＢ：０．００５〜０．０１５をさらに含有することを特徴とする、請求項３に記載の耐熱鋼。
【請求項７】
定常時の最高蒸気温度が５６６〜６１０℃の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、請求項２、請求項４、請求項５のいずれか１項に記載の耐熱鋼。
【請求項８】
定常時の最高蒸気温度が５９３〜６３０℃の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、請求項２、請求項４、請求項５のいずれか１項に記載の耐熱鋼。
【請求項９】
定常時の最高蒸気温度として５６６〜６１０℃の蒸気タービン翼として用いられることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の耐熱鋼。
【請求項１０】
定常時の最高蒸気温度として５９３〜６３０℃の蒸気タービン翼として用いられることを特徴とする、請求項２、請求項３、請求項５、請求項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。さらに詳細には、本発明は、高温蒸気タービンロータ材料及び翼材料に特に適した耐熱鋼に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火力発電設備の高温部品材料として、９〜１２％のＣｒを含有する高Ｃｒフェライト系耐熱鋼が多用されている。この種の鋼は、比較的低価格であり製造性に優れるとともに物理的特性値が良好であるため広範な用途があり、高温機器の性能、信頼性および運用性の向上に貢献している。特に、近年、地球環境保全の観点から火力発電プラントの熱効率向上が追求され、この結果６００℃以上の高温蒸気を用いた高効率機種が実現し、この実現には高Ｃｒフェライト系耐熱鋼の開発が多いに寄与している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、火力発電プラントの熱効率向上の追求と並行して、機器の経済性が以前にも増して重視される傾向にあり、原料費や製造費の低減といった原価低減とともに、製造性に優れた材質が要求される傾向にある。
【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、製造性、鋼塊の均質性が高く、かつ、高温の蒸気環境中で安定に運用できる蒸気タービンロータ素材及び翼素材として好適な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、高Ｃｒフェライト系耐熱鋼において、とくに高温強度と製造性、経済性を兼ね備えた蒸気タービン用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。すなわち、本発明は、従来、未固溶の粗大炭化物として鋼中に残存する、あるいは凝固時の偏析傾向が高く鋼塊の均質性の低下に繋がるＮｂを意図的に添加しない耐熱鋼に関するものである。
【０００７】
また、第一の発明は、重量％で、Ｃ：０．１３〜０．１７、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．３〜０．７、Ｎｉ：０．４〜０．８、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．８〜１．２、Ｗ：０．８〜１．５、Ｎ：０．０３〜０．０６の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｂを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼である。
【０００８】
また、第二の発明は、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．１３、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．０１〜０．３、Ｎｉ：０．１〜０．４、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．５〜０．８、Ｗ：１．５〜２．０、Ｎ：０．０１〜０．０３の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｂを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼である。
【０００９】
また、第三の発明は、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．１３、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．３〜０．７、Ｎｉ：０．４〜０．８、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．０５〜０．５、Ｗ：２．０〜３．０、Ｎ：０．０１〜０．０３の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなり、Ｎｂを主構成元素とする析出物を形成しないことを特徴とする、耐熱鋼である。
【００１０】
また、第四の発明は、重量％で、Ｂ：０．００５〜０．０１５をさらに含有することを特徴とする、第一の発明の耐熱鋼である。
【００１１】
また、第五の発明は、重量％で、Ｃｏ：１．５〜３．５及びＢ：０．００５〜０．０１５をさらに含有することを特徴とする、第二の発明の耐熱鋼である。
【００１２】
また、第六の発明は、重量％で、Ｒｅ：０．１〜０．６、Ｃｏ：０．５〜１．５及びＢ：０．００５〜０．０１５をさらに含有することを特徴とする、第三の発明の耐熱鋼である。
【００１３】
また、第七の発明は、定常時の最高蒸気温度が５６６〜６１０℃の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、第一、第二、第四及び第五のいずれかの発明の耐熱鋼である。
【００１４】
また、第八の発明は、定常時の最高蒸気温度が５９３〜６３０℃の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、第一、第二、第四及び第五のいずれかの発明の耐熱鋼である。
【００１５】
また、第九の発明は、定常時の最高蒸気温度が５６６〜６１０℃での蒸気タービン翼として用いられることを特徴とする、第一ないし第六のいずれかの発明の耐熱鋼である。
【００１６】
また、第十の発明は、定常時の最高蒸気温度が５９３〜６３０℃での蒸気タービン翼として用いられることを特徴とする、第二、第三、第五及び第六のいずれかの発明の耐熱鋼である。
【００１７】
【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。
【００１８】
（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。本発明に係わる耐熱鋼では０．０８％未満では上述の効果が小さく、０．１７％を超えると炭化物の凝集が促進されるため、その含有量を０．０８〜０．１７％とした。なお、他の添加元素とのバランスにより、Ｃの添加範囲は０．０８〜０．１３％の場合と、０．１３〜０．１７％の場合とに大別でき、前者はＮを０．０１〜０．０３％含有する場合、後者はＮを０．０３〜０．０６％含有する場合である。
【００１９】
（ｂ）  Ｓｉ
Ｓｉは、脱酸剤として有用な成分である。しかし、その含有量が過度に高い場合は靭性の低下及び脆化を促進するため、この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０．１％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０．１％以下とした。
【００２０】
（ｃ）  Ｍｎ
Ｍｎは、脱硫剤として有用な元素である。しかし、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ープ抵抗を低下させるため、その含有量を０．０１〜０．７％とした。なお、他の添加元素とのバランスにより、Ｍｎの添加範囲は０．０１〜０．３％の場合と、０．３〜０．７％の場合とに大別でき、前者はＣｏを１．５〜３．５％含有する場合、後者はＣｏを含有しないか、もしくは０．５〜１．５％含有する場合である。
【００２１】
（ｄ）  Ｎｉ
Ｎｉは、焼入れ性及び靭性を向上させ、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、０．８％を超えるとクリープ抵抗を低下させるため、その含有量を０．１〜０．８％とした。なお、他の添加元素とのバランスにより、Ｎｉの添加範囲は０．１〜０．４％の場合と、０．４〜０．８％の場合とに大別でき、前者はＭｎを０．０１〜０．３％含有する場合、後者はＭｎを０．３〜０．７％含有する場合である。
【００２２】
（ｅ）  Ｃｒ
Ｃｒは、析出強化に寄与する析出物の構成元素として有効であるとともに耐酸化性、耐食性の確保にも不可欠な成分である。しかし、本発明に係わる耐熱鋼では９．５％未満では上述の効果が小さく、１１．５％を超えるとフェライトの生成を促進するとともに靭性が低下するため、その含有量を９．５〜１１．５％とした。
【００２３】
（ｆ）  Ｖ
Ｖは、固溶強化及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。しかし、０．３０％を超えると炭窒化物の凝集が促進されるため、その含有量を０．１５〜０．３０％とした。
【００２４】
（ｇ）  Ｍｏ
Ｍｏは、固溶強化元素及び炭化物の構成元素として有用であり、０．０５％以上の添加によりその効果が発揮される。しかし、１．２％を超える添加は本発明の耐熱鋼においては靭性の低下及びフェライトの生成を促進するため、その含有量を０．０５〜１．２％とした。なお、本発明の耐熱鋼においては、とくにＷの添加量とのバランスによってフェライトの生成を回避しており、Ｍｏの添加範囲は０．８〜１．２％の場合と、０．５〜０．８％の場合と、０．０５〜０．５％の場合とに大別できる。０．８〜１．２％の場合はＷの添加量が０．８〜１．５％である場合、０．５〜０．８％の場合はＷの添加量が１．５〜２．０％である場合、０．０５〜０．５％の場合はＷの添加量が２．０〜３．０％とすることでマルテンサイト単相組織が得られる。
【００２５】
（ｈ）  Ｗ
Ｗは、固溶強化とともに炭化物中及び金属間化合物中へ置換し析出強化にも寄与する。これらの効果を発揮させるためには０．８％以上の添加が必要である。しかし、３．０％を超えると靭性の低下及びフェライトの生成を促進するため、その含有量を０．８〜３．０％とした。なお、本発明の耐熱鋼においては、とくにＭｏの添加量とのバランスによってフェライトの生成を回避しており、Ｗの添加範囲は０．８〜１．５％の場合と、１．５〜２．０％の場合と、２．０〜３．０％の場合とに大別できる。０．８〜１．５％の場合はＭｏの添加量を０．８〜１．２％とし、１．５〜２．０％の場合はＭｏの添加量を０．５〜０．８％とし、２．０〜３．０％の場合はＭｏの添加量を０．０５〜０．５％とすることでマルテンサイト単相組織が得られる。
【００２６】
（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０．０１％未満ではこれらの効果が認められない。一方、０．０６％超過では窒化物あるいは炭窒化物の粗大化を促進しクリー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０．０１〜０．０６％とした。なお、他の添加元素とのバランスにより、Ｎの添加範囲は０．０１〜０．０３％の場合と、０．０３〜０．０６％の場合とに大別でき、前者はＣを０．０８〜０．１３％含有する場合、後者はＣを０．１３〜０．１７％含有する場合である。
【００２７】
（ｊ）  Ｃｏ
Ｃｏは、固溶強化に寄与するとともにフェライトの生成傾向を抑制する効果を有する。これらの効果を発揮させるためには０．５％以上の添加が必要である。しかし、３．５％を超えるとこれらの効果は飽和するとともに、大型鋼塊としては経済性を著しく損なうため、Ｃｏの添加範囲は０．５〜３．５％とした。なお、Ｃｏを添加する場合は、他の添加元素とのバランスにより、Ｃｏの添加範囲は０．５〜１．５％の場合と、１．５〜３．５％の場合とに大別でき、前者はＭｎを０．３〜０．７％含有しかつＮｉを０．４〜０．８％含有してフェライト生成傾向を低下させた場合、後者はＭｎ添加量が０．０１〜０．３％でかつＮｉ含有量が０．１〜０．４％でありフェライト生成傾向が高い場合である。
【００２８】
（ｋ）  Ｒｅ
Ｒｅは、固溶強化とともに母相中のＷの固溶量を高く維持することに寄与する。これらの効果を発揮させるためには０．１％以上の添加が必要であるが、０．６％を超えるとフェライトの生成を促進するとともに、大型鋼塊としては経済性を著しく損なうため、その含有量を０．１〜０．６％とした。
【００２９】
（ｌ）  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０．００５％以上の添加で認められ、結晶粒界及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％を超えると著しい鍛造性の低下と粗大生成物の形成を促進するため、その含有量を０．００５〜０．０１５％とした。
【００３０】
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。
【００３１】
上記成分からなる耐熱鋼のうち、重量％で、Ｃ：０．１３〜０．１７、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．３〜０．７、Ｎｉ：０．４〜０．８、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．８〜１．２、Ｗ：０．８〜１．５、Ｎ：０．０３〜０．０６の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる耐熱鋼、もしくは重量％で、Ｃ：０．０８〜０．１３、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．０１〜０．３、Ｎｉ：０．１〜０．４、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．５〜０．８、Ｗ：１．５〜２．０、Ｎ：０．０１〜０．０３の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる耐熱鋼であって、場合によっては重量％で、Ｂ：０．００５〜０．０１５、あるいはＣｏ：１．５〜３．５及びＢ：０．００５〜０．０１５の双方を含有する耐熱鋼は、定常時の最高蒸気温度が５６６〜６３０℃の高温蒸気タービンロータ材料として良好な特性を発揮する。５６６℃未満ではより安価な低合金鋼を用いることで十分であり、６３０℃を上回ると軟化が著しく運転中の変形が著しく促進される。
【００３２】
また、上記成分からなる耐熱鋼のうち、重量％で、Ｃ：０．１３〜０．１７、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．３〜０．７、Ｎｉ：０．４〜０．８、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．８〜１．２、Ｗ：０．８〜１．５、Ｎ：０．０３〜０．０６の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる耐熱鋼、もしくは重量％で、Ｃ：０．０８〜０．１３、Ｓｉ：０．１以下、Ｍｎ：０．０１〜０．３、Ｎｉ：０．１〜０．４、Ｃｒ：９．５〜１１．５、Ｖ：０．１５〜０．３０、Ｍｏ：０．５〜０．８、Ｗ：１．５〜２．０、Ｎ：０．０１〜０．０３の範囲に調整され、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる耐熱鋼であって、場合によっては重量％で、Ｂ：０．００５〜０．０１５、あるいはＣｏ：１．５〜３．５及びＢ：０．００５〜０．０１５の双方、あるいはＲｅ：０．１〜０．６、Ｃｏ：０．５〜１．５及びＢ：０．００５〜０．０１５の３種類を含有する耐熱鋼は、定常時の最高蒸気温度が５６６〜６３０℃の高温蒸気タービン翼材料として良好な特性を発揮する。５６６℃未満ではより安価な鋼を用いることで十分であり、６３０℃を上回ると軟化が著しく運転中の変形が著しく促進される。
【００３３】
【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。
［実施例１］
実施例１では、本発明の記載の化学組成範囲にある耐熱鋼が優れた特性を有することを説明する。供試鋼は３０ｋｇ真空誘導溶解後、鋳込んだ鋳塊を熱間圧延し、続いて焼鈍、焼ならし後油焼入れを行い、さらに焼戻しを施した。これらの化学組成は、表１に示される通りである。
【００３４】
このうち、鋼種１〜鋼種２６が本発明に係わる組成範囲にある耐熱鋼であり、鋼種２７〜鋼種３４はその組成が本発明記載の化学組成範囲にない比較例である。これらのうち、鋼種１〜鋼種４、鋼種１１〜鋼種１８、鋼種２７、鋼種２９、鋼種３１及び鋼種３４はタービンロータに適した７００ＭＰａ程度の常温０．０２％耐力に調整されており、鋼種５〜鋼種７、鋼種１９〜鋼種２６、鋼種３０、鋼種３２及び鋼種３３はタービン翼に適した７４０〜７７０ＭＰａ程度の常温０．０２％耐力に調整されている。また、鋼種８〜鋼種１０及び鋼種２８については上記双方に適した常温０．０２％耐力に調整されたものを準備した。これらの常温０．０２％耐力を表２に示す。なお、表中では各請求項に対応する実施例と比較例をひとつの組合せとして記載した。
【００３５】
各鋼について実施した６３０℃−１９６ＭＰａでのクリープ破断試験におけるクリープ破断時間は表２に示される通りである。本発明記載の化学組成範囲にある耐熱鋼は、添加元素の種類とバランス、及び常温０．０２％耐力がＡ〜Ｈの各グループ間で異なるため、グループ分けした実施例間での比較は困難であるが、Ａ〜Ｈに区分けした各実施例ごとに、当該グループの比較例と比べ同等かもしくは比較例を上回るクリープ破断時間を示した。
【００３６】
各鋼についてＪＩＳ  ４号２ｍｍＶノッチ試験片を用いて２０℃でシャルピー衝撃試験を実施した。得られた衝撃吸収エネルギーは表２に示される通りである。本発明記載の化学組成範囲にある耐熱鋼は、添加元素の種類とバランス、及び常温０．０２％耐力がＡ〜Ｈの各グループ間で異なるため、グループ分けした実施例間での比較は困難でえあるが、Ａ〜Ｈに区分けした各実施例ごとに、当該グループの比較例と比べ同等かもしくは比較例を上回る衝撃吸収エネルギーを示した。
【００３７】
以上のことから、本発明の各請求項ごとに区分けされた化学組成範囲にある耐熱鋼は、同等の常温０．０２％耐力に調整した場合、その組成範囲にない添加元素量を有する比較例に比べ、クリープ破断時間及び衝撃吸収エネルギー双方で同等以上の値を示すことがわかる。
【００３８】
［実施例２］
実施例２では、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋼が高い組織清浄度を有することを説明する。供試鋼は、表１中の鋼種３、鋼種７〜鋼種９、鋼種１１、鋼種１４、鋼種１５、鋼種１９、鋼種２３及び鋼種２４を本発明の化学組成範囲にある実施例として用い、表１中の鋼種２８〜鋼種３１及び鋼種３４を本発明の化学組成範囲にない比較例として用いた。なお、これらの製造方法は実施例１と同様である。
【００３９】
各鋼の焼戻し後の鋼材の圧延方向から２０×１５ｍｍの板を採取し、これらを研磨後、ＪＩＳ  Ｇ  ０５５５記載の試験方法に基づいて清浄度の判定を実施した。これらの結果は、表３に示される通りである。介在物と判断したものには、ＭｎＳ、未固溶のＮｂ炭窒化物、ＢＮ等を含む。比較例における介在物の合計値は０．０３６〜０．０５７であるのに対し、本発明の化学組成範囲にある耐熱鋼における介在物の合計値は０．００８〜０．０２４と比較例の数分の１に減少したことがわかる。
【００４０】
次に、各鋼の介在物が存在した部位及び介在物が存在しない部位についてＪＩＳ  ４号２ｍｍＶノッチ試験片を用いて２０℃でシャルピー衝撃試験を実施した。得られた衝撃吸収エネルギーは表３に示される通りである。本発明記載の化学組成範囲にある各耐熱鋼は、介在物の有無に係わらず衝撃吸収エネルギーは同等であったが、比較例の各耐熱鋼では、鋼種２９及び鋼種３１の様に一部は同等の値を示すものもあるが、大半は衝撃吸収エネルギーが低下した。
【００４１】
以上のことから、本発明の各請求項ごとに区分けされた化学組成範囲にある耐熱鋼は、Ｎｂを無添加とし、さらにその他の元素の添加量を効果的に制限したことで鋼の清浄度が大幅に向上するため製造性が良好であり、かつ、介在物が存在することによる局所的な特性の不均一が生じないことがわかる。
【００４２】
【表１】
0004284010.tif 000002
【表２】
0004284010.tif 000003
【表３】
0004284010.tif 000004
【００４３】
【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は優れた特性及び組織清浄度を有しており、これらの耐熱鋼からなる蒸気タービンロータ及び翼は、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。