JP3901801B2 - 耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品 - Google Patents
耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温で長期間使用される部品、例えば蒸気タービン車室等の蒸気タービン部品に適用される耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火力発電設備の高温部品材料として、低合金耐熱鋳鋼が使用されていた。低合金耐熱鋳鋼には、Ｃｒを重量％で１〜２％含有させて、特に高温強度を高めた２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋳鋼や１Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ鋳鋼などがある。
【０００３】
しかし、近年の火力発電設備においては、蒸気タービンの熱効率を向上させるため、蒸気温度の高温化が急速に進められている。そのため、蒸気タービン部品やそれに関連する周辺部品は、従来以上高温環境下に曝される。また、発電用の蒸気タービンなどでは、重油系の不純物の多い燃料を使うために、それだけ腐食環境が厳しい。さらに、連続運転期間が格段に長く、点検の間隔が非常に長いために、コーティングが剥離した場合の腐食進行速度が特に重要となる。そこで、高強度で耐環境特性等に優れた９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼が使用されている。９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼は、Ｃｒを重量％で９〜１２％程度含有させることにより耐酸化性を高めているが、高温強度は小さい。そのため、９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼においては、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂなどを添加することにより、高温強度を大きくしている。９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼は、部材の肉厚増を抑制することができ、タービンの起動停止にともなう熱応力の低減も可能になるため、タービンの運用性向上にも貢献している。
【０００４】
現在、火力発電プラントにおいては、前記した特性とともに優れた経済性が要求される傾向にある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼は、部材の肉厚増を抑制することができ、またタービンの起動停止に伴う熱応力の低減をすることができるなど、タービンの運用性の向上にも貢献しているが、高温強度や衝撃抵抗などの機械的性質、溶接性などの製造性および経済性を同時に満足させることができなかった。
【０００６】
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あり、従来の９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼に匹敵する高温強度などの機械的性質を有し、高温の蒸気環境中で安定な運用ができる耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の化学組成範囲の耐熱鋳鋼を用いることにより、蒸気タービン車室および蒸気タービン弁箱などの耐熱鋳鋼部品を製造する際に、溶接性などの製造性を向上させた耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明の化学組成範囲の耐熱鋳鋼を用いることにより、経済性に優れた耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼に匹敵する高温強度を有する耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品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。
【００１０】
即ち、請求項１記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００８％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載の耐熱鋳鋼は、請求項１〜６記載の耐熱鋳鋼において、重量％で、Ｐを０．０１％未満、Ｓを０．０１％未満とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項８記載の耐熱鋳鋼は、請求項１〜７記載の耐熱鋳鋼において、重量％で、Ｃｏを０．０１〜０．４％含有することを特徴とする。
【００１８】
請求項９記載の耐熱鋳鋼部品は、請求項１〜８記載のいずれかの耐熱鋳鋼によって、蒸気タービン車室および蒸気タービン弁箱等の蒸気タービン部品を構成したことを特徴とする。
【００１９】
本発明において、上記のように成分を限定した理由について説明する。
【００２０】
Ｃ（炭素）は、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）およびＶ（バナジウム）等と結合して炭化物を形成して、析出強化に寄与する。また、Ｃは焼入れ性を確保するために必要な元素である。Ｃの含有量を０．０４〜０．１５％と規定したが、０．１５％を超えると溶接性が低下し、また炭化物の粗大化が促進してクリープ破断強度が低下する。含有量が０．０４％未満においては、十分なクリープ破断強度が得られず、また焼入れ性を確保することができない。さらに、Ｃの含有量を０．０５〜０．１２％と規定することにより、析出強化と焼き入れ効果を向上させることができる。
【００２１】
Ｓｉ（ケイ素）は脱酸剤として有用であり、また良好な鋳造性を確保するために不可欠な元素である。Ｓｉの含有量を０．１〜０．４％と規定したが、含有量が０．４％を超えると、著しく介在物量が増加して組織清浄度が低下し、著しい靭性の低下と脆化が起こる。一方、含有量が０．１％未満においては十分な脱酸効果と鋳造性が得られない。さらに、Ｓｉの含有量を０．１〜０．３％と規定したが、その上限を０．３％に制限することにより、十分な脱酸効果と鋳造性を得ることができる。
【００２２】
Ｍｎ（マンガン）は、脱硫剤として有用な元素である。Ｍｎの含有量を０．１〜０．５％と規定したが、含有量が０．５％を超えると、クリープ抵抗が低下し、含有量が０．１％未満においては十分な脱硫効果が得られない。さらに、Ｍｎの含有量を０．１〜０．３％と規定したが、その上限を０．３％に制限することにより、十分な脱硫効果を得ることができる。
【００２３】
Ｎｉ（ニッケル）には、焼入れ性と靭性を向上させる作用がある。Ｎｉの含有量を０．０１〜０．５％と規定したが、含有量が０．５％を超えると、クリープ抵抗が著しく低下してしまい、含有量が０．０１％未満においては、焼入れ性と靭性を向上させる効果が得られない。さらに、Ｎｉの含有量を０．０１〜０．３％と規定したが、その上限を０．３％に制限することにより、焼入れ性と靭性を向上させることができる。
【００２４】
Ｃｒ（クロム）は、耐酸化性と耐食性を向上させ、また析出強化に寄与する析出物の構成元素として必要不可欠である。Ｃｒの含有量を２．０〜４．０％と規定した理由は、含有量が４．０％を超えると、靭性と溶接性が悪化し、含有量が２．０％未満においては、耐酸化性と耐食性が得られないためである。
【００２５】
Ｖ（バナジウム）は固溶強化を行い、また微細炭窒化物を形成する元素である。Ｖの含有量を０．１５〜０．３％と規定したが、含有量が０．３％を超えると、靭性とクリープ破断強度が低下し、含有量が０．１５％未満においては微細析出物が粒内に析出し、回復を抑制してしまう。
【００２６】
Ｗ（タングステン）は固溶強化を行い、また炭化物中へ置換して析出強化を行う元素である。Ｗの含有量を２．０〜５．０％と規定したのは、含有量が５．０％を超えると靭性と加熱脆化特性が著しく低下し、含有量が２．０％未満においては固溶量を長時間にわたり高く維持することができない。さらに、Ｗの含有量を２．０〜４．０％と規定して、その上限を４．０％に制限することにより、より固溶強化と析出強化の効果を得ることができる。
【００２７】
Ｎｂ（ニオブ）は、ＣとＮ等と結合して微細な炭窒化物Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）を形成し、析出分散強化を行う元素である。Ｎｂの含有量が０．１５％を超えると偏析が起きたり、また未固溶である粗大な炭窒化物Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の体積率が急激に増加し、また微細なＮｂ（Ｃ、Ｎ）の凝集粗大化が加速する。これらにより、含有量が０．１５％を超えると介在物量が増えて組織清浄度が低下し、著しく靭性が低下し脆化が促進してしまう。一方、含有量が０．０４％未満の場合には炭窒化物Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の析出密度が低いために、析出分散強化の効果を得られず、クリープ強度が低下してしまう。従って、Ｎｂの含有量を０．０４〜０．１５％と規定した。
【００２８】
Ｎ（窒素）は、窒化物と炭窒化物を形成して析出強化を行う元素であり、また、母相中に残存するＮは固溶強化に寄与する元素である。Ｎの含有量を０．００５〜０．０３％と規定したが、含有量が０．０３％を超えると、窒化物と炭窒化物の粗大化が促進され、クリープ強度が低下し粗大生成物の生成を促進してしまう。一方、含有量が０．００５％未満においては析出強化と固溶強化の効果が得られない。
【００２９】
Ｏ（酸素）は、鋳鋼を製造する際の鋳込み時に不可避的に混入する元素であり、Ｏの含有量を０％とすることは極めて難しい。Ｏの含有量を０．０１％未満と規定したが、含有量が０．０１％を超えると、Ｏが他の金属元素との間で酸化物を形成する傾向が著しいためである。
【００３０】
Ａｌ（アルミニウム）は、脱酸剤として有用な元素である。含有量を０．００２〜０．０２％と規定したが、含有量が０．０２％を超えると、粗大生成物の形成を促進して、加熱後の脆化を促進してしまう。含有量が０．００２％未満においては、脱酸効果が得られない。
【００３１】
Ｂ（ホウ素）は微量の添加で焼入れ性を高め、また炭窒化物の高温長時間安定化を可能にする元素である。しかし、Ｂの含有量が０．００８％を超えると、溶接性が著しく低下し、粗大生成物の形成が促進する。Ｂの含有量を０．０００５〜０．００５％と規定したのは、Ｂの含有量を０．００５％に制限することで溶接性をさらに高め、粗大生成物の形成を抑制するためである。また、含有量が０．０００５％未満においては、結晶粒界とその近傍に析出する炭化物の粗大化抑制効果が発揮されない。
【００３２】
Ｍｏ（モリブデン）は固溶強化元素および炭化物の構成元素として有用な元素である。そして、Ｗとの複合添加により固溶強化の効果が大きくなる。Ｍｏの含有量を０．４〜１．０％と規定したが、含有量が１．０％を超えると、靭性が著しく低下し、含有量が０．４％未満においては固溶強化の効果が得られないためである。さらに、Ｍｏの含有量を０．４〜１．０％と規定した理由は、含有量が１．０％を超えると靭性が著しく低下して、含有量が０．４％においては固溶強化の効果が得られない。
【００３３】
Ｐ（リン）とＳ（硫黄）は、鋳鋼を製造する際に不純物元素として不可避的に混入する元素である。Ｐの含有量を０．０１％未満に規定したが、これは脆化の程度を小さく抑制するためである。
【００３４】
またＳについても、Ｓの含有量を０．０１％未満に規定したが、これは脆化の程度を小さく抑制し、介在物の形成を抑制するためである。
【００３５】
Ｃｏ（コバルト）は微量添加で高温延性の向上に寄与する元素である。Ｃｏの含有量を０．０１〜０．４％と規定したが、含有量が０．４％を超えると靭性が低下し、含有量が０．０１％未満においては上記効果が得られない。
【００３６】
なお、請求項１〜８までの耐熱鋳鋼において、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。
【００３７】
以上のことから、本発明で得られる耐熱鋳鋼を蒸気タービン車室および蒸気タービン弁箱等に用いることにより、高温下においても高強度を有し、さらに脆化しにくい耐熱鋳鋼部品を得ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品の実施形態について、実施例と比較例とともに説明する。
【００３９】
第１実施形態（表１〜４、図１〜４）
第１実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が優れたクリープ破断強度を有することの確認を行った。即ち、クリープ破断強度に影響を与える成分としては、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎ、Ｃｒ等が挙げられるが、本実施形態では、表１〜４に示すように、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して、強度試験を行った。
【００４０】
表１は、Ｃの含有量を重量％で０〜０．１９％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００４１】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｓｉ：０．１８〜０．１９％、Ｍｎ：０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｃｒ：２．４〜２．６％、Ｖ：０．２５％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００４２】
【表１】
【００４３】
このような化学組成範囲にある耐熱鋳鋼材料を電気炉で溶解後、炉外精錬にて不純物を低減させた。その後、砂型に鋳込んだ鋳塊を焼鈍後徐冷し、続いて焼ならしを行って組織を標準化させた。その後、Ｍｓ点以下まで強制冷却による焼入れを行い、さらに焼戻しを行った後、いずれも７５０〜８００ＭＰａの引張強さに調整した。
【００４４】
得られた耐熱鋳鋼の試料についてクリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した。その結果を図１に示す。なお図中においては、本発明の実施例を○、比較例を●、本発明の化学組成範囲を破線で表した。
【００４５】
図１に示すように、Ｃの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０４〜０．１５％にある耐熱鋳鋼は、炭化物の粗大化が抑制され、いずれの実施例試料も１００ＭＰａ以上の優れた破断強度を示した。特にＣの含有量が０．０５〜０．１２％の場合には、破断強度が向上することが認められた。これに対し、Ｃの含有量が０．０４％未満または０．１５％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００４６】
表２は、Ｎｉの含有量を重量％で０．０１５〜０．７％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００４７】
なお他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．０９％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００７〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｃｒ：２．４〜２．６％、Ｖ：０．２５％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００４８】
【表２】
【００４９】
このような化学組成範囲にある耐熱鋳鋼材料を上記した方法と同様の処理を施した試料を作成した。
【００５０】
得られた耐熱鋳鋼の試料についてクリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した。その結果を図２に示す。なお図中においては、本発明の実施例を○、比較例を●、本発明の化学組成範囲を破線で表した。
【００５１】
図２に示すように、Ｎｉの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０１〜０．５％にある耐熱鋳鋼は、焼入れ性と靭性が向上するため、いずれの実施例試料も１００ＭＰａを超え、優れた破断強度を示した。特にＮｉの含有量が０．０１〜０．３％の場合には、破断強度が向上することが認められた。これに対し、Ｎｉの含有量が０．０１％未満または０．３％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００５２】
表３は、Ｃｒの含有量を重量％で１．０〜５．１％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００５３】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．１％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｖ：０．２５％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００５４】
【表３】
【００５５】
このような化学組成範囲にある耐熱鋳鋼材料を上記した方法と同様の処理を施した試料を作成した。
【００５６】
得られた耐熱鋳鋼の試料についてクリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した。その結果を図３に示す。なお図中においては、本発明の実施例を○、比較例を●、本発明の化学組成範囲を破線で表した。
【００５７】
図３に示すように、Ｃｒの含有量が本発明の化学組成範囲である２．０〜４．０％にある耐熱鋳鋼は、析出強化に寄与するために、いずれの実施例試料も１１０ＭＰａを超え、優れた破断強度を示した。これに対し、Ｃｒの含有量が２．０％未満または４．０％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００５８】
表４は、Ｖの含有量を重量％で０．０８〜０．３９％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００５９】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．０９％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｃｒ：２．４〜２．６％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００６０】
【表４】
【００６１】
図４に示すように、Ｖの含有量が本発明の化学組成範囲である０．１５〜０．３％にある耐熱鋳鋼は、固溶強化され、また析出強化にも寄与するために、いずれの実施例試料も１１０ＭＰａを超え、優れた破断強度を示した。これに対し、Ｖの含有量が０．１５％未満または０．３％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００６２】
第２実施形態（表５〜６、図５〜６）
第２実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が高い組織清浄度を有することの確認を行った。即ち、組織清浄度に影響を与える成分としては、Ｂ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｂ等が挙げられるが、本実施形態では、表５〜１０に示すように、Ｂ、Ｎについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して組織清浄度試験を行った。
【００６３】
表５は、Ｂの含有量を重量％で０〜０．０１１％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００６４】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２２％、Ｐ：０．００７〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｃｒ：２．９〜３．２％、Ｖ：０．２％、Ｗ：２．９〜３．０％、Ｎｂ：０．０７％、Ｎ：０．０１９〜０．０２２％、Ｏ：０．００８％、Ａｌ：０．００５〜０．００８％の範囲で略同一とした。
【００６５】
【表５】
【００６６】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００６７】
得られた耐熱鋳鋼について、耐熱鋳鋼中に生成する介在物の量をJIS G 0555に従って測定した。その結果を図５に示す。
【００６８】
また、図５には、表５の化学組成を有する耐熱鋳鋼について、クリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した結果を介在物の量とともに示す。
【００６９】
図５に示すように、Ｂの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０００５〜０．００５％にある耐熱鋳鋼は、介在物量がいずれの実施例試料においても０．０２５％以下であり、高い組織清浄度を示した。これに対し、Ｂの含有量が０．０００５％未満の比較例試料は破断強度が低下した。また、含有量が０．００８％を超える比較例試料は著しく介在物量が増加し、組織清浄度が低下した。
【００７０】
表６は、Ｎの含有量を重量％で、０．００２〜０．０４％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００７１】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１４％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００６％、Ｎｉ：０．３〜０．３２％、Ｃｒ：３．５〜３．７％、Ｖ：０．２５％、Ｗ：３．７〜３．９％、Ｎｂ：０．１％、Ｏ：０．００６％、Ａｌ：０．０１％、Ｂ：０．００１〜０．００２％の範囲で略同一とした。
【００７２】
【表６】
【００７３】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００７４】
得られた耐熱鋳鋼について、耐熱鋳鋼中に生成する介在物の量をJIS G 0555に従って測定した。その結果を図６に示す。
【００７５】
また、図６には、表６の化学組成を有する耐熱鋳鋼について、クリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した結果を介在物の量とともに示す。
【００７６】
図６に示すように、Ｎの含有量が本発明の化学組成範囲である０．００２〜０．０４％にある耐熱鋳鋼は、介在物量がいずれの実施例試料も０．０２％以下であり、高い組織清浄度を示した。これに対し、Ｎの含有量が０．００５％未満の比較例試料は、破断強度が低下した。また、含有量が０．０３％を超える比較例試料は著しく介在物量が増加し、組織清浄度が低下した。
【００７７】
第３実施形態（表７、図７）
第３実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が優れた耐脆化性を有することの確認を行った。即ち、耐脆化性に影響を与える成分としては、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｏ等が挙げられるが、表７に示すように、Ｗについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して、耐脆化性試験を行った。
【００７８】
表７は、Ｗの含有量を重量％で、１．０９〜５．５１％の範囲に変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００７９】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．１〜０．１２％、Ｓｉ：０．１８〜０．２％、Ｍｎ：０．０２〜０．０３％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０５％、Ｃｒ：２．３〜２．５％、Ｖ：０．２〜０．２３％、Ｍｏ：０．５〜０．７％、Ｎｂ：０．０８〜０．１％、Ｎ：０．０２〜０．０３％、Ｏ：０．００７％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％の範囲で略同一とした。
【００８０】
【表７】
【００８１】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００８２】
得られた耐熱鋳鋼について、焼戻し後の状態における２０℃衝撃値と６００℃で１０、０００ｈ時効後の衝撃値の比を測定した。その結果を図７に示す。
【００８３】
さらに、図７には、表１４の化学組成を有する耐熱鋳鋼について、クリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した結果を２０℃衝撃値の比とともに示す。
【００８４】
図７に示すように、Ｗの含有量が本発明の化学組成範囲である２．０〜４．０％にある耐熱鋳鋼は、２０℃衝撃値の比がいずれの実施例試料も０．７％以上であり、脆化が抑制された。これに対し、Ｗの含有量が２．０％未満の比較例試料では、クリープ強度が低下した。
【００８５】
第４実施形態（表８、図８）
第４実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が優れた溶接性を有することの確認を行った。即ち、溶接性に影響を与える成分としては、Ｂ等が挙げられるが、本実施形態では、表８に示すようにＢについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して、溶接性試験を行った。
【００８６】
表８は、Ｂの含有量を重量％で、０〜０．０１５％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００８７】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．０１７％、Ｎｉ：０．２％、Ｃｒ：２．９〜３．２％、Ｖ：０．２％、Ｗ：２．９〜３．０％、Ｎｂ：０．０７％、Ｎ：０．０１９〜０．０２２％、Ｏ：０．００８％、Ａｌ：０．００５〜０．００８％の範囲で略同一とした。
【００８８】
【表８】
【００８９】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００９０】
得られた耐熱鋳鋼について、各鋳鋼について５つのサンプルを用いて、ビードオンプレート法による割れ発生頻度を測定した。その結果を図８に示す。
【００９１】
図８に示すように、Ｂの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０００５〜０．００５％にある耐熱鋳鋼は、いずれの実施例試料においても溶接割れが認められなかった。これと反対に、Ｂを含有させない比較例試料は、破断強度が低かった。
【００９２】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明による耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品によれば、蒸気タービン車室や蒸気タービン弁箱等のように過酷な蒸気条件下に曝される部品においても、高温強度などの機械的性質、溶接性などの製造性および経済性を確保することができ、長時間にわたり高い信頼性を発揮する蒸気タービンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｃの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図２】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｎｉの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図３】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｃｒの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図４】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｖの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図５】 本発明の第２実施形態を説明する図で、Ｂの含有量を変化させて耐熱鋳鋼内に生成する介在物量とクリープ試験結果について示すグラフ。
【図６】 本発明の第２実施形態を説明する図で、Ｎの含有量を変化させて耐熱鋳鋼内に生成する介在物量とクリープ試験結果について示すグラフ。
【図７】 本発明の第３実施形態を説明する図で、Ｗの含有量を変化させて耐熱鋳鋼の時効前後の衝撃値の比とクリープ試験結果について示すグラフ。
【図８】 本発明の第４実施形態を説明する図で、Ｂの含有量を変化させて耐熱鋳鋼の溶接割れ発生頻度について示すグラフ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温で長期間使用される部品、例えば蒸気タービン車室等の蒸気タービン部品に適用される耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火力発電設備の高温部品材料として、低合金耐熱鋳鋼が使用されていた。低合金耐熱鋳鋼には、Ｃｒを重量％で１〜２％含有させて、特に高温強度を高めた２．２５Ｃｒ−１Ｍｏ鋳鋼や１Ｃｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｖ鋳鋼などがある。
【０００３】
しかし、近年の火力発電設備においては、蒸気タービンの熱効率を向上させるため、蒸気温度の高温化が急速に進められている。そのため、蒸気タービン部品やそれに関連する周辺部品は、従来以上高温環境下に曝される。また、発電用の蒸気タービンなどでは、重油系の不純物の多い燃料を使うために、それだけ腐食環境が厳しい。さらに、連続運転期間が格段に長く、点検の間隔が非常に長いために、コーティングが剥離した場合の腐食進行速度が特に重要となる。そこで、高強度で耐環境特性等に優れた９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼が使用されている。９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼は、Ｃｒを重量％で９〜１２％程度含有させることにより耐酸化性を高めているが、高温強度は小さい。そのため、９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼においては、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂなどを添加することにより、高温強度を大きくしている。９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼は、部材の肉厚増を抑制することができ、タービンの起動停止にともなう熱応力の低減も可能になるため、タービンの運用性向上にも貢献している。
【０００４】
現在、火力発電プラントにおいては、前記した特性とともに優れた経済性が要求される傾向にある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼は、部材の肉厚増を抑制することができ、またタービンの起動停止に伴う熱応力の低減をすることができるなど、タービンの運用性の向上にも貢献しているが、高温強度や衝撃抵抗などの機械的性質、溶接性などの製造性および経済性を同時に満足させることができなかった。
【０００６】
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あり、従来の９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼に匹敵する高温強度などの機械的性質を有し、高温の蒸気環境中で安定な運用ができる耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の化学組成範囲の耐熱鋳鋼を用いることにより、蒸気タービン車室および蒸気タービン弁箱などの耐熱鋳鋼部品を製造する際に、溶接性などの製造性を向上させた耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明の化学組成範囲の耐熱鋳鋼を用いることにより、経済性に優れた耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、９〜１２Ｃｒ系耐熱鋳鋼などの高強度鋳鋼に匹敵する高温強度を有する耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品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。
【００１０】
即ち、請求項１記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００８％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の耐熱鋳鋼は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【００１６】
請求項７記載の耐熱鋳鋼は、請求項１〜６記載の耐熱鋳鋼において、重量％で、Ｐを０．０１％未満、Ｓを０．０１％未満とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項８記載の耐熱鋳鋼は、請求項１〜７記載の耐熱鋳鋼において、重量％で、Ｃｏを０．０１〜０．４％含有することを特徴とする。
【００１８】
請求項９記載の耐熱鋳鋼部品は、請求項１〜８記載のいずれかの耐熱鋳鋼によって、蒸気タービン車室および蒸気タービン弁箱等の蒸気タービン部品を構成したことを特徴とする。
【００１９】
本発明において、上記のように成分を限定した理由について説明する。
【００２０】
Ｃ（炭素）は、Ｆｅ（鉄）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）およびＶ（バナジウム）等と結合して炭化物を形成して、析出強化に寄与する。また、Ｃは焼入れ性を確保するために必要な元素である。Ｃの含有量を０．０４〜０．１５％と規定したが、０．１５％を超えると溶接性が低下し、また炭化物の粗大化が促進してクリープ破断強度が低下する。含有量が０．０４％未満においては、十分なクリープ破断強度が得られず、また焼入れ性を確保することができない。さらに、Ｃの含有量を０．０５〜０．１２％と規定することにより、析出強化と焼き入れ効果を向上させることができる。
【００２１】
Ｓｉ（ケイ素）は脱酸剤として有用であり、また良好な鋳造性を確保するために不可欠な元素である。Ｓｉの含有量を０．１〜０．４％と規定したが、含有量が０．４％を超えると、著しく介在物量が増加して組織清浄度が低下し、著しい靭性の低下と脆化が起こる。一方、含有量が０．１％未満においては十分な脱酸効果と鋳造性が得られない。さらに、Ｓｉの含有量を０．１〜０．３％と規定したが、その上限を０．３％に制限することにより、十分な脱酸効果と鋳造性を得ることができる。
【００２２】
Ｍｎ（マンガン）は、脱硫剤として有用な元素である。Ｍｎの含有量を０．１〜０．５％と規定したが、含有量が０．５％を超えると、クリープ抵抗が低下し、含有量が０．１％未満においては十分な脱硫効果が得られない。さらに、Ｍｎの含有量を０．１〜０．３％と規定したが、その上限を０．３％に制限することにより、十分な脱硫効果を得ることができる。
【００２３】
Ｎｉ（ニッケル）には、焼入れ性と靭性を向上させる作用がある。Ｎｉの含有量を０．０１〜０．５％と規定したが、含有量が０．５％を超えると、クリープ抵抗が著しく低下してしまい、含有量が０．０１％未満においては、焼入れ性と靭性を向上させる効果が得られない。さらに、Ｎｉの含有量を０．０１〜０．３％と規定したが、その上限を０．３％に制限することにより、焼入れ性と靭性を向上させることができる。
【００２４】
Ｃｒ（クロム）は、耐酸化性と耐食性を向上させ、また析出強化に寄与する析出物の構成元素として必要不可欠である。Ｃｒの含有量を２．０〜４．０％と規定した理由は、含有量が４．０％を超えると、靭性と溶接性が悪化し、含有量が２．０％未満においては、耐酸化性と耐食性が得られないためである。
【００２５】
Ｖ（バナジウム）は固溶強化を行い、また微細炭窒化物を形成する元素である。Ｖの含有量を０．１５〜０．３％と規定したが、含有量が０．３％を超えると、靭性とクリープ破断強度が低下し、含有量が０．１５％未満においては微細析出物が粒内に析出し、回復を抑制してしまう。
【００２６】
Ｗ（タングステン）は固溶強化を行い、また炭化物中へ置換して析出強化を行う元素である。Ｗの含有量を２．０〜５．０％と規定したのは、含有量が５．０％を超えると靭性と加熱脆化特性が著しく低下し、含有量が２．０％未満においては固溶量を長時間にわたり高く維持することができない。さらに、Ｗの含有量を２．０〜４．０％と規定して、その上限を４．０％に制限することにより、より固溶強化と析出強化の効果を得ることができる。
【００２７】
Ｎｂ（ニオブ）は、ＣとＮ等と結合して微細な炭窒化物Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）を形成し、析出分散強化を行う元素である。Ｎｂの含有量が０．１５％を超えると偏析が起きたり、また未固溶である粗大な炭窒化物Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の体積率が急激に増加し、また微細なＮｂ（Ｃ、Ｎ）の凝集粗大化が加速する。これらにより、含有量が０．１５％を超えると介在物量が増えて組織清浄度が低下し、著しく靭性が低下し脆化が促進してしまう。一方、含有量が０．０４％未満の場合には炭窒化物Ｎｂ（Ｃ、Ｎ）の析出密度が低いために、析出分散強化の効果を得られず、クリープ強度が低下してしまう。従って、Ｎｂの含有量を０．０４〜０．１５％と規定した。
【００２８】
Ｎ（窒素）は、窒化物と炭窒化物を形成して析出強化を行う元素であり、また、母相中に残存するＮは固溶強化に寄与する元素である。Ｎの含有量を０．００５〜０．０３％と規定したが、含有量が０．０３％を超えると、窒化物と炭窒化物の粗大化が促進され、クリープ強度が低下し粗大生成物の生成を促進してしまう。一方、含有量が０．００５％未満においては析出強化と固溶強化の効果が得られない。
【００２９】
Ｏ（酸素）は、鋳鋼を製造する際の鋳込み時に不可避的に混入する元素であり、Ｏの含有量を０％とすることは極めて難しい。Ｏの含有量を０．０１％未満と規定したが、含有量が０．０１％を超えると、Ｏが他の金属元素との間で酸化物を形成する傾向が著しいためである。
【００３０】
Ａｌ（アルミニウム）は、脱酸剤として有用な元素である。含有量を０．００２〜０．０２％と規定したが、含有量が０．０２％を超えると、粗大生成物の形成を促進して、加熱後の脆化を促進してしまう。含有量が０．００２％未満においては、脱酸効果が得られない。
【００３１】
Ｂ（ホウ素）は微量の添加で焼入れ性を高め、また炭窒化物の高温長時間安定化を可能にする元素である。しかし、Ｂの含有量が０．００８％を超えると、溶接性が著しく低下し、粗大生成物の形成が促進する。Ｂの含有量を０．０００５〜０．００５％と規定したのは、Ｂの含有量を０．００５％に制限することで溶接性をさらに高め、粗大生成物の形成を抑制するためである。また、含有量が０．０００５％未満においては、結晶粒界とその近傍に析出する炭化物の粗大化抑制効果が発揮されない。
【００３２】
Ｍｏ（モリブデン）は固溶強化元素および炭化物の構成元素として有用な元素である。そして、Ｗとの複合添加により固溶強化の効果が大きくなる。Ｍｏの含有量を０．４〜１．０％と規定したが、含有量が１．０％を超えると、靭性が著しく低下し、含有量が０．４％未満においては固溶強化の効果が得られないためである。さらに、Ｍｏの含有量を０．４〜１．０％と規定した理由は、含有量が１．０％を超えると靭性が著しく低下して、含有量が０．４％においては固溶強化の効果が得られない。
【００３３】
Ｐ（リン）とＳ（硫黄）は、鋳鋼を製造する際に不純物元素として不可避的に混入する元素である。Ｐの含有量を０．０１％未満に規定したが、これは脆化の程度を小さく抑制するためである。
【００３４】
またＳについても、Ｓの含有量を０．０１％未満に規定したが、これは脆化の程度を小さく抑制し、介在物の形成を抑制するためである。
【００３５】
Ｃｏ（コバルト）は微量添加で高温延性の向上に寄与する元素である。Ｃｏの含有量を０．０１〜０．４％と規定したが、含有量が０．４％を超えると靭性が低下し、含有量が０．０１％未満においては上記効果が得られない。
【００３６】
なお、請求項１〜８までの耐熱鋳鋼において、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。
【００３７】
以上のことから、本発明で得られる耐熱鋳鋼を蒸気タービン車室および蒸気タービン弁箱等に用いることにより、高温下においても高強度を有し、さらに脆化しにくい耐熱鋳鋼部品を得ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品の実施形態について、実施例と比較例とともに説明する。
【００３９】
第１実施形態（表１〜４、図１〜４）
第１実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が優れたクリープ破断強度を有することの確認を行った。即ち、クリープ破断強度に影響を与える成分としては、Ｃ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎ、Ｃｒ等が挙げられるが、本実施形態では、表１〜４に示すように、Ｃ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して、強度試験を行った。
【００４０】
表１は、Ｃの含有量を重量％で０〜０．１９％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００４１】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｓｉ：０．１８〜０．１９％、Ｍｎ：０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｃｒ：２．４〜２．６％、Ｖ：０．２５％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００４２】
【表１】
このような化学組成範囲にある耐熱鋳鋼材料を電気炉で溶解後、炉外精錬にて不純物を低減させた。その後、砂型に鋳込んだ鋳塊を焼鈍後徐冷し、続いて焼ならしを行って組織を標準化させた。その後、Ｍｓ点以下まで強制冷却による焼入れを行い、さらに焼戻しを行った後、いずれも７５０〜８００ＭＰａの引張強さに調整した。
【００４４】
得られた耐熱鋳鋼の試料についてクリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した。その結果を図１に示す。なお図中においては、本発明の実施例を○、比較例を●、本発明の化学組成範囲を破線で表した。
【００４５】
図１に示すように、Ｃの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０４〜０．１５％にある耐熱鋳鋼は、炭化物の粗大化が抑制され、いずれの実施例試料も１００ＭＰａ以上の優れた破断強度を示した。特にＣの含有量が０．０５〜０．１２％の場合には、破断強度が向上することが認められた。これに対し、Ｃの含有量が０．０４％未満または０．１５％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００４６】
表２は、Ｎｉの含有量を重量％で０．０１５〜０．７％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００４７】
なお他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．０９％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００７〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｃｒ：２．４〜２．６％、Ｖ：０．２５％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００４８】
【表２】
このような化学組成範囲にある耐熱鋳鋼材料を上記した方法と同様の処理を施した試料を作成した。
【００５０】
得られた耐熱鋳鋼の試料についてクリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した。その結果を図２に示す。なお図中においては、本発明の実施例を○、比較例を●、本発明の化学組成範囲を破線で表した。
【００５１】
図２に示すように、Ｎｉの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０１〜０．５％にある耐熱鋳鋼は、焼入れ性と靭性が向上するため、いずれの実施例試料も１００ＭＰａを超え、優れた破断強度を示した。特にＮｉの含有量が０．０１〜０．３％の場合には、破断強度が向上することが認められた。これに対し、Ｎｉの含有量が０．０１％未満または０．３％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００５２】
表３は、Ｃｒの含有量を重量％で１．０〜５．１％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００５３】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．１％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｖ：０．２５％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００５４】
【表３】
このような化学組成範囲にある耐熱鋳鋼材料を上記した方法と同様の処理を施した試料を作成した。
【００５６】
得られた耐熱鋳鋼の試料についてクリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した。その結果を図３に示す。なお図中においては、本発明の実施例を○、比較例を●、本発明の化学組成範囲を破線で表した。
【００５７】
図３に示すように、Ｃｒの含有量が本発明の化学組成範囲である２．０〜４．０％にある耐熱鋳鋼は、析出強化に寄与するために、いずれの実施例試料も１１０ＭＰａを超え、優れた破断強度を示した。これに対し、Ｃｒの含有量が２．０％未満または４．０％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００５８】
表４は、Ｖの含有量を重量％で０．０８〜０．３９％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００５９】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．０９％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｃｒ：２．４〜２．６％、Ｍｏ：０．５％、Ｗ：２．８〜３．０％、Ｎｂ：０．０８％、Ｎ：０．０１〜０．０１５％、Ｏ：０．００５％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％、Ｂ：０．００６〜０．００７％の範囲で略同一とした。
【００６０】
【表４】
図４に示すように、Ｖの含有量が本発明の化学組成範囲である０．１５〜０．３％にある耐熱鋳鋼は、固溶強化され、また析出強化にも寄与するために、いずれの実施例試料も１１０ＭＰａを超え、優れた破断強度を示した。これに対し、Ｖの含有量が０．１５％未満または０．３％を超える比較例試料では破断強度が低かった。
【００６２】
第２実施形態（表５〜６、図５〜６）
第２実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が高い組織清浄度を有することの確認を行った。即ち、組織清浄度に影響を与える成分としては、Ｂ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｎｂ等が挙げられるが、本実施形態では、表５〜１０に示すように、Ｂ、Ｎについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して組織清浄度試験を行った。
【００６３】
表５は、Ｂの含有量を重量％で０〜０．０１１％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００６４】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２２％、Ｐ：０．００７〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０２％、Ｃｒ：２．９〜３．２％、Ｖ：０．２％、Ｗ：２．９〜３．０％、Ｎｂ：０．０７％、Ｎ：０．０１９〜０．０２２％、Ｏ：０．００８％、Ａｌ：０．００５〜０．００８％の範囲で略同一とした。
【００６５】
【表５】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００６７】
得られた耐熱鋳鋼について、耐熱鋳鋼中に生成する介在物の量をJIS G 0555に従って測定した。その結果を図５に示す。
【００６８】
また、図５には、表５の化学組成を有する耐熱鋳鋼について、クリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した結果を介在物の量とともに示す。
【００６９】
図５に示すように、Ｂの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０００５〜０．００５％にある耐熱鋳鋼は、介在物量がいずれの実施例試料においても０．０２５％以下であり、高い組織清浄度を示した。これに対し、Ｂの含有量が０．０００５％未満の比較例試料は破断強度が低下した。また、含有量が０．００８％を超える比較例試料は著しく介在物量が増加し、組織清浄度が低下した。
【００７０】
表６は、Ｎの含有量を重量％で、０．００２〜０．０４％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００７１】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．１２〜０．１４％、Ｓｉ：０．１８〜０．２１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００６％、Ｎｉ：０．３〜０．３２％、Ｃｒ：３．５〜３．７％、Ｖ：０．２５％、Ｗ：３．７〜３．９％、Ｎｂ：０．１％、Ｏ：０．００６％、Ａｌ：０．０１％、Ｂ：０．００１〜０．００２％の範囲で略同一とした。
【００７２】
【表６】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００７４】
得られた耐熱鋳鋼について、耐熱鋳鋼中に生成する介在物の量をJIS G 0555に従って測定した。その結果を図６に示す。
【００７５】
また、図６には、表６の化学組成を有する耐熱鋳鋼について、クリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した結果を介在物の量とともに示す。
【００７６】
図６に示すように、Ｎの含有量が本発明の化学組成範囲である０．００２〜０．０４％にある耐熱鋳鋼は、介在物量がいずれの実施例試料も０．０２％以下であり、高い組織清浄度を示した。これに対し、Ｎの含有量が０．００５％未満の比較例試料は、破断強度が低下した。また、含有量が０．０３％を超える比較例試料は著しく介在物量が増加し、組織清浄度が低下した。
【００７７】
第３実施形態（表７、図７）
第３実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が優れた耐脆化性を有することの確認を行った。即ち、耐脆化性に影響を与える成分としては、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｏ等が挙げられるが、表７に示すように、Ｗについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して、耐脆化性試験を行った。
【００７８】
表７は、Ｗの含有量を重量％で、１．０９〜５．５１％の範囲に変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００７９】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．１〜０．１２％、Ｓｉ：０．１８〜０．２％、Ｍｎ：０．０２〜０．０３％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．００５％、Ｎｉ：０．０５％、Ｃｒ：２．３〜２．５％、Ｖ：０．２〜０．２３％、Ｍｏ：０．５〜０．７％、Ｎｂ：０．０８〜０．１％、Ｎ：０．０２〜０．０３％、Ｏ：０．００７％、Ａｌ：０．００３〜０．００５％の範囲で略同一とした。
【００８０】
【表７】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００８２】
得られた耐熱鋳鋼について、焼戻し後の状態における２０℃衝撃値と６００℃で１０、０００ｈ時効後の衝撃値の比を測定した。その結果を図７に示す。
【００８３】
さらに、図７には、表１４の化学組成を有する耐熱鋳鋼について、クリープ破断試験を行い、クリープ破断試験結果より内挿で求めた５８０℃における１０万時間破断強度を調査した結果を２０℃衝撃値の比とともに示す。
【００８４】
図７に示すように、Ｗの含有量が本発明の化学組成範囲である２．０〜４．０％にある耐熱鋳鋼は、２０℃衝撃値の比がいずれの実施例試料も０．７％以上であり、脆化が抑制された。これに対し、Ｗの含有量が２．０％未満の比較例試料では、クリープ強度が低下した。
【００８５】
第４実施形態（表８、図８）
第４実施形態では、本発明の組成範囲にある耐熱鋳鋼が優れた溶接性を有することの確認を行った。即ち、溶接性に影響を与える成分としては、Ｂ等が挙げられるが、本実施形態では、表８に示すようにＢについての化学組成範囲を変化させた耐熱鋳鋼の試料を作成して、溶接性試験を行った。
【００８６】
表８は、Ｂの含有量を重量％で、０〜０．０１５％の範囲で変化させた耐熱鋳鋼の成分組成を示している。
【００８７】
なお、他の成分組成については、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．０７％、Ｓｉ：０．１％、Ｍｎ：０．１９〜０．２２％、Ｐ：０．００６〜０．００８％、Ｓ：０．００４〜０．０１７％、Ｎｉ：０．２％、Ｃｒ：２．９〜３．２％、Ｖ：０．２％、Ｗ：２．９〜３．０％、Ｎｂ：０．０７％、Ｎ：０．０１９〜０．０２２％、Ｏ：０．００８％、Ａｌ：０．００５〜０．００８％の範囲で略同一とした。
【００８８】
【表８】
なお、鋳鋼の製造方法および引張強さの設定は第１実施形態と同様である。
【００９０】
得られた耐熱鋳鋼について、各鋳鋼について５つのサンプルを用いて、ビードオンプレート法による割れ発生頻度を測定した。その結果を図８に示す。
【００９１】
図８に示すように、Ｂの含有量が本発明の化学組成範囲である０．０００５〜０．００５％にある耐熱鋳鋼は、いずれの実施例試料においても溶接割れが認められなかった。これと反対に、Ｂを含有させない比較例試料は、破断強度が低かった。
【００９２】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明による耐熱鋳鋼および耐熱鋳鋼部品によれば、蒸気タービン車室や蒸気タービン弁箱等のように過酷な蒸気条件下に曝される部品においても、高温強度などの機械的性質、溶接性などの製造性および経済性を確保することができ、長時間にわたり高い信頼性を発揮する蒸気タービンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｃの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図２】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｎｉの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図３】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｃｒの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図４】 本発明の第１実施形態を説明する図で、Ｖの含有量を変化させて耐熱鋳鋼のクリープ試験結果について示すグラフ。
【図５】 本発明の第２実施形態を説明する図で、Ｂの含有量を変化させて耐熱鋳鋼内に生成する介在物量とクリープ試験結果について示すグラフ。
【図６】 本発明の第２実施形態を説明する図で、Ｎの含有量を変化させて耐熱鋳鋼内に生成する介在物量とクリープ試験結果について示すグラフ。
【図７】 本発明の第３実施形態を説明する図で、Ｗの含有量を変化させて耐熱鋳鋼の時効前後の衝撃値の比とクリープ試験結果について示すグラフ。
【図８】 本発明の第４実施形態を説明する図で、Ｂの含有量を変化させて耐熱鋳鋼の溶接割れ発生頻度について示すグラフ。
Claims (9)
- 重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部が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鋳鋼。
- 重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含み、残部が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鋳鋼。
- 重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部が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鋳鋼。
- 重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％を含み、残部が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鋳鋼
- 重量％で、Ｃ：０．０４〜０．１５％、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜５．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１５％、Ｂ：０．０００５〜０．００８％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０２％を含み、残部が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鋳鋼。
- 重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．１〜０．３％、Ｎｉ：０．０１〜０．３％、Ｃｒ：２．０〜４．０％、Ｍｏ：０．４〜１．０％、Ｖ：０．１５〜０．３％、Ｗ：３．０〜４．０％、Ｎｂ：０．０４〜０．１％、Ｂ：０．０００５〜０．００５％、Ｎ：０．００５〜０．０３％、Ｏ：０．０１％未満、Ａｌ：０．００２〜０．０１％を含み、残部が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鋳鋼。
- 請求項１〜６記載の耐熱鋳鋼において、重量％で、Ｐを０．０１％未満、Ｓを０．０１％未満とすることを特徴とする耐熱鋳鋼。
- 請求項１〜７記載の耐熱鋳鋼において、重量％で、Ｃｏを０．０１〜０．４％含有することを特徴とする耐熱鋳鋼。
- 請求項１〜８記載のいずれかの耐熱鋳鋼によって、蒸気タービン車室および蒸気タービン弁箱などの蒸気タービン部品を構成したことを特徴とする耐熱鋳鋼部品。
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