JP5362764B2 - 地熱発電タービンロータ用低合金金材 - Google Patents
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Description
本発明は、以下に示す手段により上記目的を達成するものである。
C:0.15〜0.30%
Cは焼入れ性を向上させ、また、Cr、Mo、V等の炭化物形成元素と炭化物を形成して、引張強さや耐力を向上させるために必要な元素である。所要の引張強さや耐力を得るためには、少なくとも0.15%以上の添加が必要である。一方、C量が0.30%を越えると靭性、耐食性、耐SCC性を低下させる。従って、Cの含有量は0.15〜0.30%の範囲に限定する。なお、同様の理由で、下限を0.20%、上限を0.27%とするのが望ましい。
本発明におけるSiは、後述するMoとともに耐偏析性を改善するために重要な元素である。大型鋼塊の押湯側におけるC濃化の程度には特にSiとMoが大きく影響しており、Siを0.03%以上添加することによって耐偏析性を改善し、鋼塊押湯側でのC濃化を抑制する効果が得られる。一方、Siが0.2%を越えると靭性が低下し、所要の特性が得られなくなる。従って、Siの含有量は0.03〜0.2%の範囲に限定する。なお、同様の理由で、さらに下限を0.05%にするのが望ましい。
Mnは、焼入れ性を大きく改善して、焼入れ冷却時の初析フェライトの析出を抑制するのに有効な元素である。Mnを0.5%以上含むことにより、上記効果が十分に得られる。一方、Mnが2.0%を越えると焼戻し脆化感受性を増加させ、靭性を低下させ、耐SCC性を低下させる。このため、Mnの含有量は0.5〜2.0%の範囲とする。なお、同様の理由で、下限を0.8%、上限を1.5%とするのが望ましい。
NiもMnと同様に焼入れ性を大きく改善して、焼入れ冷却時の初析フェライトの析出を抑制するのに有効な元素である。Niを0.1%以上含むことにより、上記効果が十分得られる。一方、Niが1.3%を越えると地熱蒸気中の腐食性ガスに対する耐SCC性が低くなる。このため、Niの含有量は0.1〜1.3%の範囲とする。なお、同様の理由で、下限を0.3%、上限を1.0%とするのがさらに望ましい。
Crは焼入れ性を改善し、焼入れ冷却時の初析フェライトの析出を抑制するのに有効な元素である。また、Cと微細な炭化物を形成し、引張強さを向上させるのに有効であり、さらに、地熱蒸気中の腐食性ガスに対する耐食性や耐SCC性を向上させるのにも有効な元素である。Crを1.5%以上含むことにより、上記効果が十分得られる。一方、Crが3.5%を越えると、靭性が低下するとともにタービンロータの軸受部において焼付きを起こし易くなる。従って、Crの含有量は1.5〜3.5%の範囲とする。なお、同様の理由で、下限を1.8%、上限を2.8%とするのが望ましく、さらには、下限を2.0%以上、上限を2.5%以下とするのがより一層望ましい。
本発明におけるMoは、前述したSiとともに耐偏析性を改善するために重要な元素の一つである。一般的な地熱発電用タービンロータに使用されている1%CrMoV鋼は、Moが1.1〜1.5%程度添加されており、耐食性の観点からは、Mo量を増やした方が良い。しかし、耐偏析性の観点からは、Mo量を抑制する方が望ましく、Mo量を1.0%以下にすることで鋼塊押湯側でのC濃化を抑制する効果が十分得られる。一方で、Moは焼入れ性や焼戻し脆化の改善、引張強さを高めるために有効な元素であり、その効果を得るためには少なくとも0.1%以上の含有が必要である。以上の観点から、Moの添加量は0.1〜0.8%の範囲とする。なお、同様の理由で、下限を0.3%、さらに望ましくは上限を0.7%以下にすることが望ましい。
VはCと微細な炭化物を形成し、引張強さを向上させるのに有効な元素である。また、未固溶のバナジウム炭化物が母相中に適量存在する場合には、焼入れ加熱時の結晶粒の粗大化を抑制することができ、靭性の改善に効果がある。上記の効果を得るためには、Vは0.15%超必要である。一方、V量が0.35%を越えると靭性が低下する。したがって、Vの含有量は0.15超〜0.35%の範囲とする。なお、同様の理由で、下限を0.18%、上限を0.30%、さらに望ましくは上限を0.24%とするのが望ましい。
Nは焼入れ性を改善し、焼入れ冷却時の初析フェライトの析出を抑制するのに有効な元素であり、また、窒化物を形成して、引張強さを向上させるのにも寄与するので所望により含有させる。上記の効果を得るためには、Nは0.005%以上の含有が必要である。一方、N量が0.015%を越えると靭性が低下する。したがって、Nの含有量は0.005〜0.015%の範囲とする。
本発明鋼では、JISG0551(鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法)の比較法により測定した調質後の結晶粒度番号が3〜7の粒度であり、その金属組織中に初析フェライトがないことが望ましい。結晶粒度粒度が3〜7の範囲にあり、その金属組織中に初析フェライトがないことにより優れた靭性を得ることができる。結晶粒度番号が3より小さい粗粒だと、超音波透過性を低下させるだけでなく、延靭性が低下し、所定の機械的特性を満たせなくなる。一方、結晶粒度番号が7より大きいと、焼入れ温度を低下させる必要があるため、焼入れ時の冷却中に初析フェライトを析出させずに大型のタービンロータを製造することは工業的に困難である。また、調質後の結晶粒度番号が3〜7を得られた場合でも、金属組織中に初析フェライトが析出していると靭性が大きく低下する。なお、同様の理由で、さらに結晶粒度番号は下限を4.0とすることが望ましい。
目標強度として、調質後の常温引張強さを760MPa以上とする。一方、引張強さが860MPaを越えると、靭性が低下するため、上限は860MPaであることが望ましい。
地熱発電では、入口温度が200℃、出口温度が50℃程度と低いため、延性−脆性破面遷移温度(FATT)が十分低いことが必要である。FATTが40℃よりも大きくなると、タービンロータの脆性破壊に対する安全性の確保が困難になる。従って、FATTは40℃以下であることが望ましい。
凝固後の鋼塊は、加熱炉に挿入して所定温度まで加熱した後、大型プレスによる鍛造が行われる。鍛造により、鋼塊内部の空隙を圧著するとともに、デンドライト組織を破壊し、結晶粒組織を得ることができる。このときの鍛造温度は1100℃以上とすることが望ましい。鍛造温度が1100℃未満では、材料の熱間加工性が低下し、鍛造中に割れが発生する危険性があることや、内部への鍛造効果の不足によって混粒組織となり、超音波透過性を低下させる原因となる。ただし、最終鍛造工程では、結晶粒の粗大化を抑制するため、1100℃以上の範囲でできるだけ鍛造温度を低下させることが望ましい。
通常、火力発電に使用される1%CrMoV鋼では、高温クリープ破断強度を向上させるために、焼入れ温度を高めに設定し、材料中に生成した炭化物を焼入加熱によって一旦、マトリックスに殆ど固溶させ、その後の焼戻処理にて炭化物をマトリックスに微細分散させている。このときの焼入温度は通常、950〜1000℃の範囲である。しかしながら、地熱用のタービンロータ材では、高温クリープ破断強度は必要なく、むしろ室温における靭性が重要である。靭性を向上させるには、結晶粒を微細化させることが有効である。本発明の低合金鋼では、焼入温度を900℃〜950℃の範囲にすることが望ましい。この温度範囲では、未固溶のCr、Mo、Vの炭化物を残存させて焼入れ時の結晶粒の粗大化を抑制し、靭性を向上させることができる。この焼入れ温度範囲よりも高いと、引張強さは増加するものの、結晶粒が粗大化して延・靭性が低下する。一方、この焼入れ温度範囲未満では、焼入性が低下するため、焼入時の冷却中に初析フェライトが析出して靭性が低下する。なお、大型の鍛鋼品では、外表部と中心部で均熱に要する時間が異なるため、焼入れ加熱時間は材料の大きさに合わせて設定することができる。
焼入れ温度を低めにしていることから、焼入加熱時の炭化物の固溶量が少なくなるため、焼戻し後の引張強さが低くなる。そのため、焼戻し温度を低めにすることで所定の常温引張強さを得る必要がある。焼戻し温度が600℃よりも低いと炭化物が十分に析出せず、所定の引張強さが得られなくなる。一方、焼戻し温度が700℃よりも高いと炭化物が粗大化して所定の引張強さが得られなくなる。したがって、焼戻し温度は600〜700℃の範囲とすることが望ましい。なお、焼戻し工程においても材料の大きさに合わせて加熱時間は適宜設定をすることができる。
本発明の低合金鋼は、前記成分を得るべく常法に従って溶製することができ、その溶製方法が特に限定されるものではない。得られた低合金鋼には、鍛造等の熱間加工が施される。熱間加工後には、熱間加工材に対し、焼準しを行って組織の均一化を図る。焼準しは、例えば1000〜1100℃で加熱を行い、その後炉冷することにより行うことができる。さらに、調質として、焼入れ焼戻しの処理を行うことができる。焼入れは、例えば、900〜950℃に加熱し、急冷することにより行うことができる。焼入れ後は、例えば、600〜700℃で加熱する焼戻しを行うことができる。焼戻し時間として、材料の大きさ、形状などに応じて、適宜の時間を設定する。
本発明の低合金鋼は、上記の熱処理によって、常温の引張強さを760〜860MPaに設定することができ、結晶粒度を、JISG0551(鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法)の比較法において、3〜7の結晶粒度番号にすることができる。
耐SCC性試験は、国際基準NACE(米国腐食技術者協会)標準TM0177のB方法(3点曲げSCC試験方法)に従って700時間試験を実施した。Sc値は、試験片寸法、ヤング率、負荷応力、試験数等を考慮し、SCC感受性を表す指標であり、その値は高いほど、SCC感受性が低く、耐SCC性が高いことを示している。
大型の地熱発電用タービンロータでは、機械的特性や耐食性、耐SCC性、耐偏析性、焼入れ性を全て満足する必要がある。比較材は、大型の地熱発電用タービンロータ用の鍛造品に必要な要求特性を一部で満足しているものの、全てを満足していなかった。例えば、比較材No.24は、引張強さを満足しており、FATTも本発明材と同等であったが、耐偏析性を満足しておらず、また、比較例No.25は、耐偏析性は本発明材と同等であったが、引張強さが目標を満たしておらず、耐SCC性も低かった。一方、本発明材は、必要な特性を全て満たしており、腐食環境下で使用される大型の地熱発電用タービンロータへの適用に好適なものであることがわかる。
実施例に供する試験材として、供試材No.1、3、10、の鋼塊を使用した。鋼塊は鍛造後、焼準し、焼入れ、焼戻しの熱処理を施して、結晶粒度を変化させた供試材を得た。結晶粒度番号は、JISG0551(鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法)の比較法によるものである。なお、各供試材では、焼準し条件を変えることにより結晶粒度を変え、その後は、各供試材ごとに常温における引張強さが800〜860MPaになるように、本発明の範囲内の条件で焼入れ、焼戻しを行った。得られた各供試材について、ミクロ組織観察、およびシャルピー衝撃試験を行い、初析フェライトの有無、延性−脆性破面遷移温度(FATT)を評価した。
を得られることがわかる。
試験材として、供試材No.6の鋼塊を使用した。鋼塊は鍛造後、実機の大型タービンロータを想定した結晶粒径を再現するため、1200℃で2時間の粗粒化処理を行った後、予備熱処理として、1100℃の焼準し、620℃の焼戻しを行った。その鍛造材に表6に示す熱処理を施し、ミクロ組織観察、引張試験、およびシャルピー衝撃試験を行い、初析フェライトの有無、引張強さ、延性一脆性破面遷移温度(FATT)を評価した。結果を表6に併せて示した。なお、表6において焼入れ時の冷却速度は、焼入れ温度から室温までの冷却速度である。
Claims (4)
- 質量%で、C:0.15〜0.30%、Si:0.03〜0.2%、Mn:0.5〜2.0%、Ni:0.1〜1.3%、Cr:1.5〜3.5%、Mo:0.1〜0.8%、V:0.15超〜0.35%、N:0.005〜0.015%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有する低合金鋼を調質したものであって、結晶粒度番号が3〜7であり、金属組織中に初析フェライトがないことを特徴とする地熱発電タービンロータ用低合金材。
- 引張強さが760〜860MPa、延性−脆性破面転移温度(FATT)が40℃以下であることを特徴とする請求項1記載の地熱発電タービンロータ用低合金材。
- 発電機器用部材の鍛鋼品の素材に用いるものであることを特徴とする請求項1または2に記載の地熱発電タービンロータ用低合金材。
- 質量10トン以上の材料に用いられることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の地熱発電タービンロータ用低合金材。
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