JPH01184230A - 高低圧一体型ローターの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は高低圧一体型タービンロータシャフトの製造法
に係る。

（従来の技術） 最近出力２００ＭＷ程度迄の中・小容量タービンは、高
圧部と低圧部のローターを一体構造としてコンパクト化
する傾向にある。

この一体型ローターには高圧部のクリープ破断強度と低
圧部の靭性が同時に必要とされるが、従来高圧用ロータ
ーとして使用されている１％Ｃｒ−１％Ｍｏ−０，２５
Ｖ鋼では、靭が不充分である他、高温における破断強度
も最近の要求設計応力からみればやや不足の感があり、
一方低圧ロークーとして使用されている３、５％Ｎ　ｉ
　−Ｃｒ−Ｍ　。

−Ｖ鋼では、靭性は極めて良好であるが、クリープ破断
強度が不足であり、両性能を同時に満足することは出来
ない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明はクリープ破断強度と靭性を同時に満足する一体
型ロークーの製造法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは同一ローターの中で、特に高いクリープ破
断強度を要求される高圧部と、靭性を特に要求される低
圧部を同一の化学成分を存し、熱処理条件を変えること
により、つまり焼入れ焼戻し条件を高圧部分と低圧部分
で変えることにより、それぞれの機能を持たせることが
可能であると云う結論を得た。

即ち本発明に係るＣ　ｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｖ系を基本とす
る化学組成を有するタービンローターは、重量％でＣ０
．１５〜０．３０％、Ｓｉ０．１５％以下、Ｍｎ０．５
％以下、Ｐ０．０１５以下、Ｃｒ２．８％超〜４．０％
、Ｍｏ０．４〜２．０％、Ｖ０．０７〜０．３％、Ｓｂ
、Ｓｎの合計が０．０５％以下を有し、必要に応じ０．
５〜２．０％のＮｉと０．０１〜０．１０％のＮｂのい
ずれか一方又は両方を添加し、残部がＦｅ及び不可避的
不純物より成る素材を、低圧部分と高圧部分のオーステ
ナイト化温度及び焼戻温度のいずれか一方又は両方を異
なるようにした焼入焼戻工程を含む工程をとることによ
り、高圧部分に高いクリープ破断強度と、低圧部分に高
靭性を持たせた高低圧一体型ローターを製造するもので
ある。

この場合タービンローターの素材に含有せしめる基本元
素及びその他の合金元素量は、一体型ローターの使用条
件を考慮して決定される。即ち、高低圧一体型ロークー
として、その低圧側は蒸気の出口側に当り蒸気温度は低
いため、高速回転時に発生する高応力場に於ける脆性破
壊防止の観点から、当然高靭性、特に遷移温度が蒸気温
度より、低いことが要求される。

一方、高圧側は、蒸気の入口側に当るため、蒸気温度が
高く、従ってその高い蒸気温度でのクリープ破断強度が
高いことが必要である。この靭性と高温クリープ破断強
度は、ともすれば相反する関係にある場合が多く、クリ
ープ破断強度を大きくすれば靭性が低く、逆に靭性を良
好にする手段をとればクリープ破断強度が劣化するなど
、両特性を同時に満足することは従来の技術では困難で
ある。

従って、これらの対策としては、従来焼入れを複数回行
うことによって、組織の細粒化を図ったり、Ｎｂを添加
して組織の微細化効果を利用するなどの処置がとられて
来た。

又低圧高圧一体型ローターでは、１％Ｃｒ、１％Ｍｏ−
０，２５Ｖ鋼にＮｂ、Ｎｉなどを添加して、更に焼入れ
時の冷却速度を規制してローター低圧部の高靭性と高圧
部のクリープ破断強度の向上を行わしめる方法（例えば
特公昭５８−１１５０４号公報）などが散見される。

これらの方法はいずれも成る程度効果的であり、少くと
も現在に至る迄の各種タービンローターとしては、一応
待性を満足するものが得られているが、前述の一体型タ
ービンローターに今後要求される特性を満足することは
困難である。

又高低圧一体ローターでは、低圧側部分が高圧側部分に
比して大径であることが普通で、特に大容量発電ロータ
ーの場合は、１５００ｍ以上にも達することもあり、例
えば１５００φのその中心部の焼入冷却速度は、５０　
’Ｃ／　ｈ　ｒと極めて小さい。靭性は本発明に係る一
体型ローターに関しては、冷却速度を大きくする程向上
するが、冷却方法に関しては製造上許容される範囲で大
きくする手段を採るものの、大径のため自ら限度があり
、焼入性を充分確保するための適正成分を採用する必要
がある。

そのためには焼入性に有効元素であるｃｒ、、ＭＯの適
正量添加と、場合によっては靭性の要求度に応じてＮｉ
の適正量添加が必要になる。

一方高圧側部分に必要な高温クリープ破断強度の確保は
、Ｃｒ、Ｍ０．Ｖ、Ｎｂ等の焼戻時及び高温で使用中に
析出する炭窒化物によるクリープ破断強度向上効果を利
用し、又更にＭ０．■或いは必要に応じＭ、Ｎｂの固溶
強化効果を充分利用し、ローターの必要部分に特にこれ
らの効果を大きく活かせる新規な製造手段により、靭性
と高温特性のそれぞれにすぐれた部分を持つローターの
製造が可能である 又零成分において焼入焼戻後の靭性を最高に引き出すだ
めの焼入焼戻条件は、同一成分で高温クリープ破断強度
を最高に抽出するためのそれとは異なり、ローターの径
にもよるが、高温クリープ破断強度を向上させる高圧側
ロータ一部分の焼入温度を低圧側ロータ一部分のそれよ
り高くとった方が良い。

一方焼戻温度は靭性向上のためには高い方が良好である
ため、高温クリープ破断強度確保の必要な高圧側ロータ
一部分より高くとることが好ましい。

いずれにしてもローターの径及び設計温度、設計応力に
よって確保すべき靭性、強度、高温強度、高温クリープ
破断強度が異なるが、高圧側及び低圧側のそれぞれの特
性は、本発明に規定する成分と、それぞれ異なった熱処
理条件にすることで初めて確保可能である。

一方本発明の対象となる高低圧一体ロークーは、高圧側
、低圧側のそれぞれのさらされる温度が異なるとは言え
、いずれも長時間使用中に靭性の劣化を惹起する可能性
を有する。

本発明の特にこの靭性の劣化を起し易いＣｒやＮｉを含
む焼入焼戻組織にＭｎを０．５％以下とし、更に低Ｐ、
低Ｓｂ＋Ｓｎとすることによって、この靭性劣化を極め
て小さく出来ることを見出した。

以下に本発明の詳細な説明する。

先ず本発明の対象とするローターを構成する化学成分の
限定理由を説明する。

Ｃは、引張強さやクリープ破断強さを確保するために必
要な元素であり、０．１５％未満では焼入後フェライト
相の生成や焼入組織の硬さ不足等により、焼戻後の引張
強さや高温クリープ破断強度の確保が困難である。又０
．３％を超えると靭性及び延性が著しく低下する。この
ためＣは０．１５〜０．３０％と限定した。

Ｓｔは強度を向上せしめるが、多量に添加すると靭性の
低下を招き特に長時間の加熱脆化の原因となるため、上
限のみを規定して０．１５％とした。

Ｍｎはマトリックス中に固溶して焼入性を高め強度、靭
性を向上させる効果がある。しかし、添加量が過多にな
ると長時間加熱脆化の原因となる。

本発明では前述の強度、靭性より長時間加熱脆化対策を
重視し、上限を０．５％とした。

Ｐは初期靭性のみならず長時間加熱脆化を著しく助長す
るための出来るだけ少い方が好ましいが、経済的理由も
加えて本発明では上限を０．０１５％とした。

Ｃｒは本発明の対象ローターの基本的元素で、焼入性の
向上目的と焼戻後はＭ　７　Ｃ３、Ｍ　２　ｚ　Ｃｂ等
の炭化物のＭ中に入って炭化物を安定化させ、クリープ
破断強度を向上保持させる目的と、高温に於ける耐食性
を保持させるために添加するものである。

即ち比較的低温度約３００℃から、高温度約５５０°Ｃ
程度迄の高圧環境で使用される高圧ロークー側部分に対
しては、高温クリープ破断強度向上のため、低圧側ロー
タ一部分に対して焼入性確保のため２．８％超のＣｒ添
加が必要である。上限を４％と限定した理由は使用環境
温度に於けるクリープ延性不足防止のためである。

Ｍｏは固溶体強化作用、Ｍ　２３　Ｃｂの安定化作用、
Ｌａｖｅｓ相としての析出強化作用を有し、高温クリー
プ破断強度を確保する目的で添加する。下限を０．４％
としたのは、これ未満では本発明の対象ローターの高圧
側の環境温度に対するクリープ破断強度、特に長時間側
強度が保てないためであり、又上限を２．０％としたの
は、これを超える量では添加量に対する効果の期待が薄
く、経済的でないようである。

■は■４Ｇ＋　、ｖ　（ＣＮ）或いはＭ　２３　Ｃ６ｔ
７）　Ｍ中に入って析出強化作用を生じ、本発明の対象
ローターの高温クリープ破断強度を確保する意味で極め
て重要である。下限を０．０７％としたのはこれ未満で
はこれらの効果が充分に期待出来ないからであり、一方
添加量が多過ぎるとこれらの効果が飽和するばかりか反
って靭性やクリープ延性が低下する。従って上限は０．
３％とした。

Ｓｂ、Ｓｎは長時間加熱時の粒界脆化を著しく助長する
ため、出来るだけ減らさせるのが好ましいが、他の不可
避的元素と同様、減少させるのに経済的問題もあり、特
に脆化が顕著になる限界量としてＳｎ、Ｓｂの和を０．
０１５％以下とした。

更にこれらの基本元素の他に、必要に応じＮｉ及びＮｂ
を添加しても本発明の対象である一体型ローターの高圧
側、低圧側の要求される特性値に応じて確保することが
可能である。

即ちＮｉは基本的に地鉄の靭性を向上させ、変態点低下
作用によって焼入性を上げ焼入れ、焼戻し後の強度を向
上させる効果がある。これらの効果を充分に生かせる下
限量としては０．５％である。

Ｎｉ量の下限量を０．５は％としたのはこのためである
。又添加量が多過ぎると析出炭化物を凝集させ、クリー
プ破断強度を低下させる危険性がある。

本発明の目的とする高圧側の使用環境からみたクリープ
破断強度に対する影響及び低圧側部分の靭性向上からみ
た最大必要量は２．０％であり、上限はこの理由から決
めた。

Ｎｂは加熱途中のオーステナイト粒界や、粒内に炭窒化
物として微細に存在し、ピンニング効果による粒成長抑
制を行う。又単独で鋼の変態点を低下させ焼入性を高め
る。焼戻しや長時間加熱時に析出する炭窒化物は、クリ
ープ破断強度を著しく高めるなどの効果を有する。

これらの効果を有効ならしめる下限量は、０．０１％で
ある。一方添加量が多すぎるとＮｂ炭窒化物の顕著な凝
集粗大化を生じ、クリープ破断強度を低下せしめること
がある。又、銅塊の凝固時にＮｂの炭化物の粗大な共析
晶を生じ、靭性の著しい低下を招く危険性がある。上限
量を０．１％としたのはこのためである。

これら各種元素を含む鋼を鍜造しローター素材とするが
、これを次工程で高圧側、低圧側のロータ一部に要求さ
れるそれぞれの特性を持たせるために、焼入焼戻しを含
む熱処理を行うのであるが、焼入時のオーステナイト化
温度は、低圧側は靭性向上の目的から、Ａｃ１点以上比
較的低い方が粒径を小さくする理由から望ましく、一方
高圧側は比較的高い方が、高温クリープ破断強度を確保
する意味で好ましい。

焼戻温度も高い方が靭性確保には良く、強度確保には低
い方が好ましい。従って低圧側と高圧側は、熱処理温度
の異なるいわゆる傾斜熱処理が、本発明の重要技術要素
である。本発明に規定する異なる温度と云うのは、以上
に示す意識的に設定温度を異ならしめる熱処理条件を採
用することであって、その差は工業的可能な管理限界値
、少くとも２℃以上を云う。

（実施例） 表１に示す化学成分を有する鋼を溶製し、同表欄外に示
す方法で鋼片を作成し、それぞれ表２に示す製造条件で
軸芯位置でのシュミレート熱処理を行った。

焼入温度と焼戻温度は表２の欄外に示すように、高圧側
と低圧側部分で異なるようにした。焼戻処理後、常温に
於ける引張試験と各種温度に於ける衝撃試験を行い、Ｆ
ＡＴＴ　（破面遷移温度）を求めた。

又高圧側ロータ一部に相当する熱処理条件を与えたもの
については、５５０℃のクリープ試験を行い、外挿法に
より１０５　ｈｒのクリープラブチャー強度を求めた。

又５５０℃１ｌｏ００ｈｒの加熱後のシャルピー衝撃試
験を行い、加熱処理前と比較した。

これらの試験結果を表２に示す。

これらによると本発明によるＡ−１〜Ａ−６の鋼はいず
れも本発明の目的とする高い靭性と高いクリープ破断強
度が、それぞれ低圧部分と高圧部分に得られ、所定の一
体型ローターを製造可能なことを知見した。

これに対しＢ１、Ｂ２は化学成分が本発明の規定に入っ
ていなく、いずれも靭性、クリープ破断強度が劣る結果
を示し、本発明の効果による差が顕著に示されている。

（以下余白、次頁へつづく） Ｉ　Ｓ− （発明の効果） 以上の実施例からみても明らかな如く、本発明によれば
、従来法により得られたものに比して、クリープ破断強
度が良好な高圧部と靭性のすぐれた低圧部を持つ一体型
高低圧ローターを製造し得ることが可能となるものであ
り、産業上の効果は顕著なものがある。

代理人　弁理士　茶　野　木　立　夫 手続補正書（自発） 昭和６３年２月１９日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　重量％で Ｃ０．１５〜０．３％、 Ｓｉ０．１５％以下、 Ｍｎ０．５％以下、 Ｐ０．０１５以下、 Ｃｒ２．８％超〜４．０％、 Ｍｏ０．４〜２．０％、 Ｖ０．０７〜０．３％、 Ｓｂ、Ｓｎの合計が０．０１５％以下、 残部がＦｅ及び不可避的不純物より成る成分からなり、
   低圧側部分と高圧側部分の焼入オーステナイト化温度及
   び焼戻温度のいずれか一方又は両方を異なるようにした
   焼入焼戻工程を含むことを特徴とする高低圧一体ロータ
   ー製造法。 ２　Ｎｉ０．５〜２．０％、Ｎｂ０．０１〜０．１０％
   のいずれか一方又は両方を添加した成分から成る請求１
   に記載の高低圧一体ローターの製造法。