JPH06256893A

JPH06256893A - 高温強度に優れた高靭性低合金鋼

Info

Publication number: JPH06256893A
Application number: JP5069288A
Authority: JP
Inventors: Yoshikuni Kadoya; 好邦角屋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1993-03-04
Filing date: 1993-03-04
Publication date: 1994-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】高温強度に優れた高靭性低合金鋼を提供す
る。この低合金鋼は特にガスタービンのロータ材、ディ
スク材として好適である。【構成】重量基準で、炭素0.15〜0.35％、ケイ素0.15
％以下、マンガン 1.2％以下、ニッケル 0.5〜2.0％、
クロム 2.0〜2.5％、モリブデン 0.5〜1.5％、タングス
テン０〜1.0％、バナジウム 0.2〜0.45％を含有し、さ
らに、ニオブ 0.1％以下、タンタル 0.1％以下及び窒素
0.05％以下の中から選ばれる少なくとも１種を含有し、
残部が鉄及び不可避的不純物元素からなる合金組成を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、タービン、特にガスタ
ービンのロータ材やディスク材用の低合金鋼に係り、さ
らに詳述すれば高温におけるクリープ破断強度及び靭性
に優れたガスタービンロータやディスクを形成するため
の低合金鋼に係る。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンやジェットエンジンのター
ビンのディスク用材料としては、従来、表１に代表され
るような3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼（低合金鋼)、表２に代
表されるようなCr−Mo−Ｖ鋼（低合金鋼)、表３に代表
されるような12％Cr系ステンレス鋼、及び表４に代表さ
れるようなFe基耐熱合金など鍛造品が主として用いられ
てきた。

【０００３】

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】表１に代表されるようなNiを数％含有する3.5 Ni−Cr−
Mo−Ｖ鋼（低合金鋼）ディスク材は、比較的高い強度
［0.2％耐力（以下、単に「耐力」という）70〜120Kg／
mm²］と高い靭性（25℃におけるＶノッチ・シャルピー
衝撃吸収エネルギー５〜10Kg・ｍ以上）とを兼備してお
り、溶解、鍛造、熱処理も比較的簡単で、コストが低
く、入手も容易である。しかしながら、使用温度（ディ
スクのメタル温度をいう）が300〜350℃以上になると、
このディスク材はクリープ領域に入り、材料強度の設計
上クリープを考慮する必要が生じて複雑になり、また引
張強さや耐力などの強度が長時間使用するに従って低下
し（「軟化現象」という)、さらに350〜500℃の温度範
囲で数百〜数万時間使用する際には、焼戻し脆性のため
靭性が著しく低下する。これらの現象は、主に、数％以
上のNiを含む低合金鋼からなり、焼入、焼戻しの調質を
行って強度及び靭性を改良したディスク材に見られる宿
命である。

【０００４】また、表２に代表されるようなCr−Mo−Ｖ
鋼（低合金鋼）は、上記の3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼と同様
コストも低く、入手も容易であり、また3.5 Ni−Cr−Mo
−Ｖ鋼のような著しい軟化現象や焼戻し脆性を示さず、
しかも使用温度が430〜480℃になるまでクリープ領域に
入らないため、3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼よりも使用温度を
100〜200℃高くすることができる。しかしながら、その
靭性は3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼ほどには優れておらず、特
に引張強さや耐力などを上げようとすると、靭性が著し
く低下し（例えば耐力を70〜80Kg／mm²以上の高い強度
レベルに調質すると、25℃におけるＶノッチ・シャルピ
ー衝撃エネルギーが１〜２Kg・ｍ以下となる)、そのう
え、400℃程度の温度でもクリープ領域に入り、このク
リープ温度領域において切欠弱化（切欠クリープ破断強
さが平滑クリープ破断強さより弱くなることをいう）す
る。従って、このCr−Mo−Ｖ鋼をディスク用材料として
使用する場合、強度をあまり高くする調質（焼入、焼戻
し）を行うことができず、一般に3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼
よりも強度レベルは低く抑えられ、通常、室温における
耐力は60〜70Kg／mm²以下である。

【０００５】さらに、表３に代表されるような12％Cr系
ステンレス鋼は、Crを多量に含有しているため、上記の
3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼及びCr−Mo−Ｖ鋼の両低合金鋼と
比べて耐食耐酸化性に優れるが、Crを多量含有している
ばかりでなく、高温強度を改善する目的でNb，Ｗ，Mo，
Ｖなどの高価な合金元素が数％含有されているため、コ
ストが上記の両低合金鋼よりも２〜３倍高く、またこの
ような合金元素が多いにもかかわらず、高温における強
度や室温における靭性は上記のCr−Mo−Ｖ鋼と同様の挙
動を示し、顕著な向上は期待できない。

【０００６】また、表４に代表されるようなFe基耐熱合
金は、NiやCrを多く含有しているため耐食耐酸化性に優
れており、500〜580℃以上の温度でクリープ領域に入る
ので高温強度を高くとることができ、また均一なオース
テナイト系組織のため脆性破壊を起こさず、靭性を考慮
する必要がなく、強度が溶体化・時効処理によってγ’
相［Ni₃(Al・Ti)］の金属間化合物の析出硬化によりも
たらされるので、上記した低合金鋼や12％Cr系ステンレ
ス鋼のように調質（焼入、焼戻しにより、焼戻しマルテ
ンサイト組織又はベイナイト組織になる）時における質
量効果を考慮する必要がない。しかしながら、Ni，Cr，
Moなどの高価な合金元素を多量に包含しており、しかも
Al，Tiなどの活性の高い合金元素を含有しているため通
常の溶解法は適用できず、真空高周波溶解あるいは真空
アーク溶解などのより高度な溶解技術が必要であるため
コストがかなり高く、通常の低合金鋼のコストの５〜10
倍である。また最近のようにタービンが大容量化してく
ると、必要なタービンディスクも単体重量で５〜６トン
以上にもなり、このような大型のFe基耐熱合金ディスク
用鍛造品を製造することは現時点ではかなり困難であ
る。

【０００７】一方、近年、ガスタービンは高効率化と大
容量化が図られるようになり、前者においては、熱効率
向上のためにタービン入口ガス温度を高くする必要があ
り、従ってディスク温度も高くなり、上記の3.5 Ni−Cr
−Mo−Ｖ鋼の最高使用温度である300〜350℃以下に抑え
ることは難しく、後者においては、設計上必要とされる
ディスクの形状が大型化し、ディスク用鍛造品の単体重
量が５〜６トン以上にもなってきているなどの問題が生
じてきている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の諸点
に鑑み、上記の3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ鋼やCr−Mo−Ｖ鋼な
どの低合金鋼と同等のコストで容易に入手でき、しかも
最高使用温度が400〜480℃と上記の3.5 Ni−Cr−Mo−Ｖ
鋼よりも100〜180℃高くでき、かつ上記のCr−Mo−Ｖ鋼
の強度レベルに近い強度レベルを有する新規なディスク
用低合金鋼を提供しようとするものである。ディスクの
メタル温度を400〜480℃に上げることができれば熱効率
を大幅に向上させることができ、しかも低合金鋼であれ
ば５〜６トン以上の大型鍛造品であっても容易に製造で
き、コストも高くならないという上記した近年の問題点
を解消できる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量基準で、
炭素0.15〜0.35％、ケイ素0.15％以下、マンガン 1.2％
以下、ニッケル 0.5〜2.0％、クロム 2.0〜2.5％、モリ
ブデン 0.5〜1.5％、タングステン 0.5〜1.0％、バナジ
ウム 0.2〜0.45％を含有し、さらに、ニオブ0.1％以
下、タンタル 0.1％以下及び窒素0.05％以下の中から選
ばれる少なくとも１種を含有し、残部が鉄及び不可避的
不純物元素からなる合金組成を有することを特徴とする
高温強度に優れた高靭性低合金鋼に係る。

【００１０】本発明における上記合金組成は、従来から
ボイラや化工機に広く使用されている2.25 Cr−Mo鋼を
ベースに、従来から蒸気タービンの高圧ロータ材あるい
はガスタービンのディスク材に用いられているCr−Mo−
Ｖ鋼の合金組成を参考にして、各種の試験の結果に基づ
いて見い出されたものである。特に、本発明の低合金鋼
では、Ｖを0.2〜0.45％、好ましくは0.15〜0.25％とす
ることにより結晶粒微細化を図り、これによって強度を
高めて靭性の低下を防止し、また、Niの添加量を0.5〜
2.0％とし、Crの添加量を2.0〜2.5％（すなわち従来のC
r−Mo−Ｖ鋼の約２倍）とすることにより調質時のベイ
ナイト焼入性を改善し、これによって室温引張特性と高
温クリープ特性を改善している。

【００１１】以下に、本発明の低合金鋼の合金組成及び
その含有量についての限定理由を記す。炭素（Ｃ)：Ｃは焼入性を増大させ、耐力及び靭性を確
保するためには必要不可欠な元素であり、ガスタービン
のロータ材及びディスク材に必要な耐力及び靭性を発現
させるためには0.15％以上必要であるが、あまり多量に
添加すると、かえって靭性を害し、又加工性を悪くする
ので、その含有量を0.15〜0.35％とした。ケイ素（Si)：Siは溶鋼の脱酸剤として有効な元素であ
る。しかし、多量添加すると、脱酸生成物であるSiO₂が
鋼中に残存して鋼の清浄度を害すると共に、靭性を低下
させ、また、クリープ破断伸び（延性）を低下させ、更
に、高温使用中の焼戻し脆性を助長するので、その含有
量を0.15％以下とした。なお、近年、真空カーボン脱酸
法やエレクトロスラグ再溶解法が適用され、必ずしもSi
脱酸を行う必要がなくなって来ており、Si量は低減され
得る。マンガン（Mn)：Mnは溶鋼の脱酸、脱硫剤として有効で
あり、また、焼入性を増大させて強度を高めるのに有効
な元素である。しかし、あまり多量添加すると靭性及び
延性を害するので、その含有量を最大1.2％とした。ニッケル（Ni)：Niは鋼の焼入性を増大させ、室温にお
ける強度及び靭性を高めるのに有効な元素であり、特に
靭性向上に有効である。また、これらの効果は、Ni及び
Cr両元素の含有量が多い場合に相乗効果により著しく増
大する。しかし、あまり多量添加すると、Niは高温強度
（クリープ強さ、クリープ破断強さ）を害し、また、焼
戻し脆性を助長するので、その含有量を0.5〜2.0％とし
た。クロム（Cr)：Crは通常の低合金鋼の添加元素として最
も重要な元素である。鋼に添加されると、Crは耐食・耐
酸化性を改善し、焼入性を増大させて、室温における引
張特性を向上させる。また、これらの効果は、Ni及びCr
の両元素の含有量が多い場合に相乗効果により著しく増
大する。更に、Crはクリープ強さやクリープ破断強さな
ど高温強度の改善にも有効な元素である。但し、2.5％
を越すと、靭性は改善されるが、高温強度の大巾な改善
は難しく、多量添加の必要はない。また、上述のように
焼入性（ベイナイト焼入性）を向上させるので、ディス
ク材の質量効果を考慮して、その含有量を2.0〜2.5％と
した。モリブテン（Mo)：MoはCrと同様に通常の低合金鋼の添
加元素として重要な元素である。鋼に添加されると、Mo
は焼入性を増大し、また、焼戻し時の焼戻し軟化抵抗を
大きくして常温における強度（引張強さ、耐力）の増大
に有効である。また、Moは固溶体強化元素として、ま
た、炭化物の生成を介しての析出強化作用元素としてク
リープ強さやクリープ破断強さなどの高温強度の向上に
非常に有効な元素である。更に、Moは0.5％程度以上添
加される場合、鋼の焼戻し脆性を阻止するため、非常に
有効な元素である。しかし、あまり多量添加しても、そ
の効果は飽和し、かえって靭性を害し、また、高価な元
素であるためコスト高にもなる。そこで、その含有量を
0.5〜1.5％とした。タングステン（Ｗ)：Ｗは固溶体強化元素としてクリー
プ強さやクリープ破断強さなどの高温強度の向上に非常
に有効な元素である。しかし、あまり多量添加すると凝
固偏析等大型鋳造品として好ましくない現象を生ずるの
で、その含有量を0.25〜1.0％とした。バナジウム（Ｖ)：ＶはMoと同様に、常温における強度
（引張強さ、耐力）の向上に有効な元素である。固溶体
強化元素として、また、炭化物の生成を介しての析出硬
化作用元素としてクリープ強さやクリープ破断強さなど
高温強度を増加させる重要な元素である。更に、Ｖはあ
る程度の範囲（0.2〜0.45％）の添加量であれば結晶粒
を微細化させ、靭性向上にも有効である。しかし、あま
りに多量添加すると靭性を害し、また、高価な元素であ
るためコスト高となるので、その含有量を0.2〜0.45％
とした。ニオブ（Nb)：NbはＶと同様に引張強さや耐力などの常
温強度、並びにクリープ強さやクリープ破断強さなどの
高温強度の増大に有効な元素であると同時に、結晶粒を
微細化させて靭性を向上させる非常に有効な元素である
が、含有量が0.01％未満では、その効果は充分ではな
い。本発明の低合金鋼では、Nbの添加は強度の上昇をあ
まり期待するものではなく、むしろ結晶粒微細化による
靭性向上を期待するものであり、あまり多く添加すると
多量のNb炭窒化物を形成し、かえって靭性を害して有効
ではない。そこで含有量を0.1％以下とした。タンタル（Ta)：上記Nbと殆ど同じ効果を有するので、T
aの含有量を0.1％以下とした。窒素（Ｎ)：Ｎは窒化物の生成を介しての析出硬化作用
元素として、引張強さやクリープ破断強さを高めるため
に有効な元素であり、その含有量が0.01％未満では得ら
れる効果が乏しく、一方、0.05％を越えて添加すると靭
性が低下するので、その含有量を0.05％以下とした。但し、Nb、Ta及びＮについては、いずれか１種以上を含
有するものとする。その他：Ｐ、Ｓ、Cuなどは不純物元素として製鋼の原材
料によって混入される不可避的なものであるが、これら
はできるだけ低い方が望ましい（ただし原材料を厳選す
るとコスト高となる）一般に、Ｐ 0.015％以下、Ｓ 0.0
10％以下、Cu 0.50％以下であることが望ましい。その
他の不純物元素としてはAl、Sn、Sb、Pb、Asなどがあ
る。

【００１２】

【実施例１−６】表５に示す合金組成を有する本発明の
低合金鋼（合金Ａ〜Ｆ）を実験室的規模の真空溶解炉に
て溶解し、50Kg鋼塊を溶製した。

【表５】これらの鋼塊から、実機のガスタービンディスク材を想
定して加熱・鍛造工程（据込１／2.8Ｕ、鍛伸3.7Ｓの鍛
練）を行って小型鍛造材を製作した。その後、この鍛造
材を結晶粒度調整を目的とする予備熱処理（例えば、10
50℃空冷及び650℃空冷）に供した。この鍛造材につい
て直径1500mm、厚さ200mmのディスク材を想定して中心
部及び表層部の焼入冷却速度をシミュレートした熱処理
をそれぞれ行った。すなわち、950℃で加熱して完全に
オーステナイト化した後、ディスク中心部の焼入冷却速
度（950〜300℃の平均）約５℃／分及びディスク表層部
の焼入冷却速度（950〜300℃の平均）約20℃／分の２と
おりの冷却速度で焼入れし、その後、それぞれ660℃で
焼戻しを行い、ガスタービンディスク材の設計に必要な
強度、すなわち室温における0.2％耐力が〜80Kg／mm²と
なるように調整して供試材Ａ〜Ｆとした。また、これら
本発明の低合金鋼の他に、現状のCr−Mo−Ｖ鋼を前記と
同じようにして溶製し（合金Ｇ：１Cr−１Mo−1／4Ｖ
鋼)、同様に処理してガスタービンディスク材を調製し
（比較材Ｇ)、両者の性状を比較した。

【００１３】供試材Ａ〜Ｆ及び比較材Ｇについて行った
引張試験及び衝撃試験の結果を表６に示す。また、供試
材Ａ〜Ｆ及び比較材Ｇのクリープ破断強さをラーソン・
ミラー・パラメータで整理し、その結果を金属材料技術
研究所のクリープ・データ・シートNo．９Ａ（従来の高
圧ロータ材Cr−Mo−Ｖ鋼のデータ）と比較して図１に示
す。すなわち、図１は、ラーソン・ミラー・パラメータ
Ｔ（20＋log t）×10^-3［ここで、Ｔはクリープ試験温
度（°K)、ｔはクリープ破断時間（hr）である］と応力
（Kg／mm²）との関係を示すもので、データの符号は次
の通りである。供試材Ａ：○表層部、●中心部供試材Ｂ：◇表層部、◆中心部供試材Ｃ：□表層部、■中心部供試材Ｄ：△表層部、▲中心部供試材Ｅ：▽表層部、▼中心部供試材Ｆ：☆表層部、★中心部比較材Ｇ：＃表層部、※中心部

【表６】表６から明らかなように、供試材及び比較材のいずれも
室温における耐力は80Kg^f／mm²以上の強度レベルとなっ
ており、ガスタービンディスク材として十分な強度を有
している。また、図２に示す平滑−切欠組合せ試験片を
用いて行ったクリープ破断試験では、いずれの試験条件
下でも平滑で破断しており、切欠強化で良好である。そ
の上、本発明による鋼の供試材Ａ〜Ｆのクリープ破断強
度は、比較材Ｇ及び従来の高圧ロータ材Cr−Mo−Ｖ鋼デ
ータバンドの上限を上回っている。これを480℃×10⁵ｈ
でのクリープ破断強度で比較すると、本発明に係る鋼は
σ＝36Kg／mm²、従来のCr−Mo−Ｖ鋼はσ＝30Kg／mm²と
なり、従来のCr−Mo−Ｖ鋼に比べて高温強度が向上して
いる。なお、伸び・絞りも一般のディスク材で要求され
る伸び16％以上、絞り45％以上の各条件を十分に満足す
るものであった。

【００１４】一方、衝撃特性に関しては、ガスタービン
ディスク材の50％FATTの目標値は＋80℃以下であるが、
本発明の鋼に係る供試材Ａ〜Ｆはいずれの場合も目標値
以下であり、充分な靭性を有していることがわかる。こ
れに対し、現状の１Cr−１Mo−1／4Ｖ鋼である比較材Ｇ
は、中心部におけるFATTが110℃と高く、ガスタービン
ディスク材としての靭性については若干信頼性の点で問
題があり、改善が必要である。一方、本発明の鋼の中心
部のFATTは、供試材Ａが＋72℃であり、供試材Ｂ＋68
℃、供試材Ｃ＋66℃、供試材Ｄ＋45℃、供試材Ｅ＋48
℃、供試材Ｆ＋47℃であり、目標値に比較して低く、靭
性は大巾に改善されている。

【００１５】これから明らかなように、室温における耐
力が80Kg／mm²であり、常温強度に優れ、かつ靭性も改
善されており、さらにクリープ破断強さは従来の高圧ロ
ータ材の約1.2倍の高温強度レベルの優れた性状を有し
ている。

【００１６】なお、上記の結果から推定される許容応力
線図を図３に示す。図中、曲線１は耐力／1.5を示し、
曲線２は引張強さ／2.5、曲線３は10⁵hrクリープ破断強
さを示す。図３から明らかなように、約480℃まではク
リープ領域に入らず許容応力を設定でき、許容応力は従
来のCr−Mo−Ｖ鋼よりも10Kg／mm²高くとることが可能
となる。

【００１７】さらに、上記の結果から推定される本発明
の鋼に係るＣ＋Ｖ含有量及びNb＋Ｎ含有量の範囲を図４
に示す。すなわち、下記の通りである。 0.5 ≦ Ｃ＋Ｖ含有量（％）≦ 0.7 0.03 ≦ Nb＋Ｎ含有量（％）≦ 0.07

【００１８】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明は、室温強度、
高温強度及び靭性に優れ、従来のものよりも信頼性が高
く、また、より大型のガスタービンディスクに適したロ
ータ材及びディスク材を得ることができる。本発明によ
る低合金鋼は用途によっては蒸気タービンロータ材とし
ても使用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のディスク材のクリープ破断強さのラー
ソン・ミラー・パラメータと応力との関係を示す図であ
る。

【図２】ラーソン・ミラー・パラメータ測定に使用した
クリープ破断試験片（平滑−切欠組合せ型）の断面図で
ある。

【図３】推定許容応力線図を示すグラフである。

【図４】本発明の鋼に係るＣ＋Ｖ含有量及びNb＋Ｎ含有
量の範囲を示す図である。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年５月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量基準で、
炭素0.15〜0.35％、ケイ素0.15％以下、マンガン 1.2％
以下、ニッケル 0.5〜2.0％、クロム 2.0〜2.5％、モリ
ブデン 0.5〜1.5％、タングステン０〜1.0％、バナジ
ウム 0.2〜0.45％を含有し、さらに、ニオブ 0.1％以
下、タンタル 0.1％以下及び窒素0.05％以下の中から選
ばれる少なくとも１種を含有し、残部が鉄及び不可避的
不純物元素からなる合金組成を有することを特徴とする
高温強度に優れた高靭性低合金鋼に係る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】以下に、本発明の低合金鋼の合金組成及び
その含有量についての限定理由を記す。炭素（Ｃ)：Ｃは焼入性を増大させ、耐力及び靭性を確
保するためには必要不可欠な元素であり、ガスタービン
のロータ材及びディスク材に必要な耐力及び靭性を発現
させるためには0.15％以上必要であるが、あまり多量に
添加すると、かえって靭性を害し、又加工性を悪くする
ので、その含有量を0.15〜0.35％とした。ケイ素（Si)：Siは溶鋼の脱酸剤として有効な元素であ
る。しかし、多量添加すると、脱酸生成物であるSiO₂が
鋼中に残存して鋼の清浄度を害すると共に、靭性を低下
させ、また、クリープ破断伸び（延性）を低下させ、更
に、高温使用中の焼戻し脆性を助長するので、その含有
量を0.15％以下とした。なお、近年、真空カーボン脱酸
法やエレクトロスラグ再溶解法が適用され、必ずしもSi
脱酸を行う必要がなくなって来ており、Si量は低減され
得る。マンガン（Mn)：Mnは溶鋼の脱酸、脱硫剤として有効で
あり、また、焼入性を増大させて強度を高めるのに有効
な元素である。しかし、あまり多量添加すると靭性及び
延性を害するので、その含有量を最大1.2％とした。ニッケル（Ni)：Niは鋼の焼入性を増大させ、室温にお
ける強度及び靭性を高めるのに有効な元素であり、特に
靭性向上に有効である。また、これらの効果は、Ni及び
Cr両元素の含有量が多い場合に相乗効果により著しく増
大する。しかし、あまり多量添加すると、Niは高温強度
（クリープ強さ、クリープ破断強さ）を害し、また、焼
戻し脆性を助長するので、その含有量を0.5〜2.0％とし
た。クロム（Cr)：Crは通常の低合金鋼の添加元素として最
も重要な元素である。鋼に添加されると、Crは耐食・耐
酸化性を改善し、焼入性を増大させて、室温における引
張特性を向上させる。また、これらの効果は、Ni及びCr
の両元素の含有量が多い場合に相乗効果により著しく増
大する。更に、Crはクリープ強さやクリープ破断強さな
ど高温強度の改善にも有効な元素である。但し、2.5％
を越すと、靭性は改善されるが、高温強度の大巾な改善
は難しく、多量添加の必要はない。また、上述のように
焼入性（ベイナイト焼入性）を向上させるので、ディス
ク材の質量効果を考慮して、その含有量を2.0〜2.5％と
した。モリブテン（Mo)：MoはCrと同様に通常の低合金鋼の添
加元素として重要な元素である。鋼に添加されると、Mo
は焼入性を増大し、また、焼戻し時の焼戻し軟化抵抗を
大きくして常温における強度（引張強さ、耐力）の増大
に有効である。また、Moは固溶体強化元素として、ま
た、炭化物の生成を介しての析出強化作用元素としてク
リープ強さやクリープ破断強さなどの高温強度の向上に
非常に有効な元素である。更に、Moは0.5％程度以上添
加される場合、鋼の焼戻し脆性を阻止するため、非常に
有効な元素である。しかし、あまり多量添加しても、そ
の効果は飽和し、かえって靭性を害し、また、高価な元
素であるためコスト高にもなる。そこで、その含有量を
0.5〜1.5％とした。タングステン（Ｗ)：Ｗは、本発明の低合金鋼の合金組
成中に存在する場合、固溶体強化元素としてクリープ強
さやクリープ破断強さなどの高温強度の向上に非常に有
効な元素である。しかし、あまり多量添加すると凝固偏
析等大型鋳造品として好ましくない現象を生ずるので、
その含有量を1.0％以下とした。バナジウム（Ｖ)：ＶはMoと同様に、常温における強度
（引張強さ、耐力）の向上に有効な元素である。固溶体
強化元素として、また、炭化物の生成を介しての析出硬
化作用元素としてクリープ強さやクリープ破断強さなど
高温強度を増加させる重要な元素である。更に、Ｖはあ
る程度の範囲（0.2〜0.45％）の添加量であれば結晶粒
を微細化させ、靭性向上にも有効である。しかし、あま
りに多量添加すると靭性を害し、また、高価な元素であ
るためコスト高となるので、その含有量を0.2〜0.45％
とした。ニオブ（Nb)：NbはＶと同様に引張強さや耐力などの常
温強度、並びにクリープ強さやクリープ破断強さなどの
高温強度の増大に有効な元素であると同時に、結晶粒を
微細化させて靭性を向上させる非常に有効な元素である
が、含有量が0.01％未満では、その効果は充分ではな
い。本発明の低合金鋼では、Nbの添加は強度の上昇をあ
まり期待するものではなく、むしろ結晶粒微細化による
靭性向上を期待するものであり、あまり多く添加すると
多量のNb炭窒化物を形成し、かえって靭性を害して有効
ではない。そこで含有量を0.1％以下とした。タンタル（Ta)：上記Nbと殆ど同じ効果を有するので、T
aの含有量を0.1％以下とした。窒素（Ｎ)：Ｎは窒化物の生成を介しての析出硬化作用
元素として、引張強さやクリープ破断強さを高めるため
に有効な元素であり、その含有量が0.01％未満では得ら
れる効果が乏しく、一方、0.05％を越えて添加すると靭
性が低下するので、その含有量を0.05％以下とした。但し、Nb、Ta及びＮについては、いずれか１種以上を含
有するものとする。その他：Ｐ、Ｓ、Cuなどは不純物元素として製鋼の原材
料によって混入される不可避的なものであるが、これら
はできるだけ低い方が望ましい（ただし原材料を厳選す
るとコスト高となる）一般に、Ｐ 0.015％以下、Ｓ 0.0
10％以下、Cu 0.50％以下であることが望ましい。その
他の不純物元素としてはAl、Sn、Sb、Pb、Asなどがあ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量基準で、炭素0.15〜0.35％、ケイ素0.
15％以下、マンガン 1.2％以下、ニッケル 0.5〜2.0
％、クロム 2.0〜2.5％、モリブデン 0.5〜1.5％、タン
グステン 0.5〜1.0％、バナジウム 0.2〜0.45％を含有
し、さらに、ニオブ 0.1％以下、タンタル 0.1％以下及
び窒素0.05％以下の中から選ばれる少なくとも１種を含
有し、残部が鉄及び不可避的不純物元素からなる合金組
成を有することを特徴とする、高温強度に優れた高靭性
低合金鋼。