JP2017155264A - Austenitic heat resistant steel and turbine component - Google Patents
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Abstract
【課題】十分なクリープ強度を有しつつ、優れた引張強度および引張延性を確保することのできるオーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品を提供することにある。【解決手段】実施形態のオーステナイト系耐熱鋼は、質量で、Ni:24〜50%、Cr:5〜13%、Co:0.1〜12%、Nb:0.1〜5%、V:0.1〜0.5%、Ti:1.90〜2.35%、Al:0.01〜0.30%、B:0.001〜0.01%、C:0.001〜0.1%、Zr:0.1〜2.0%、P:0.01〜0.2%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。【選択図】図1An object is to provide an austenitic heat-resistant steel and a turbine component that can ensure excellent tensile strength and tensile ductility while having sufficient creep strength. An austenitic heat-resisting steel according to an embodiment is, by mass, Ni: 24 to 50%, Cr: 5 to 13%, Co: 0.1 to 12%, Nb: 0.1 to 5%, V: 0.1-0.5%, Ti: 1.90-2.35%, Al: 0.01-0.30%, B: 0.001-0.01%, C: 0.001-0. 1%, Zr: 0.1 to 2.0%, P: 0.01 to 0.2%, with the balance being Fe and inevitable impurities. [Selection] Figure 1
Description
本発明の実施の形態は、オーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品に関する。 Embodiments of the present invention relate to an austenitic heat resistant steel and a turbine component.
近年、大気中への二酸化炭素の排出量削減の観点から、発電プラントの高効率化が進められている。そのため、火力発電プラントに備えられる蒸気タービンやガスタービンの高効率化が要求されている。 In recent years, high efficiency of power plants has been promoted from the viewpoint of reducing carbon dioxide emissions into the atmosphere. Therefore, high efficiency of the steam turbine and gas turbine provided in the thermal power plant is required.
上記した各タービンにおける効率を上げるためには、タービンに導入される作動流体の入口温度を高温化することが有効である。例えば、蒸気タービンにおいては、将来的には、作動流体である蒸気の温度が650℃以上、さらには700℃程度での運用が期待されている。ガスタービンにおいても、導入される作動流体の入口温度は、上昇する傾向にある。 In order to increase the efficiency of each turbine described above, it is effective to increase the inlet temperature of the working fluid introduced into the turbine. For example, a steam turbine is expected to be operated in the future when the temperature of steam as a working fluid is 650 ° C. or higher, and further about 700 ° C. Also in the gas turbine, the inlet temperature of the introduced working fluid tends to increase.
従来、600℃程度の温度に曝されるタービン部品には、フェライト系耐熱鋼などが使用されている。しかしながら、上記したような高温の作動流体に曝されるタービン部品をフェライト系耐熱鋼で構成することは耐熱性から問題がある。そのため、このような高温の作動流体に曝されるタービン部品は、オーステナイト系耐熱鋼、Ni基合金あるいはCo基合金などで構成される。これらの中でも、オーステナイト系耐熱鋼は、フェライト系耐熱鋼よりも50℃程度も耐用温度が高く、かつNi基合金の1/3程度の材料費である。そのため、オーステナイト系耐熱鋼を使用することで、製造コストを抑え、高効率化を図ることができる。 Conventionally, ferritic heat-resistant steel or the like is used for turbine parts exposed to a temperature of about 600 ° C. However, it is problematic from the viewpoint of heat resistance that the turbine parts exposed to the high-temperature working fluid as described above are made of ferritic heat resistant steel. Therefore, the turbine component exposed to such a high-temperature working fluid is composed of austenitic heat-resistant steel, Ni-base alloy, Co-base alloy, or the like. Among these, the austenitic heat resistant steel has a higher service temperature as much as about 50 ° C. than the ferritic heat resistant steel, and the material cost is about 1/3 that of the Ni-based alloy. Therefore, by using austenitic heat-resistant steel, manufacturing costs can be reduced and higher efficiency can be achieved.
これまでオーステナイト系耐熱鋼の開発は高温クリープ強度の向上を主眼としたものが多い。しかし、オーステナイト鋼を大型の鍛造素材または鋳造素材として使用した場合、製造上の制約から結晶粒径が大きくなり、クリープ強度は十分であるが引張強度および延性が設計上の要求を満たせないという問題が生じる。また、結晶粒径が大きいオーステナイト鋼の場合、材料の超音波探傷において減衰が生じ、欠陥検出能が低下するという問題も生じる。Alloy286などの公知のオーステナイト系耐熱鋼は、金属間化合物を析出強化相として利用して高温クリープ強度の向上が図られている。しかしながら、上記のように十分なクリープ強度を有しつつ、優れた引張強度および引張延性を確保する耐熱鋼は提案されていない。 Until now, many austenitic heat resistant steels have been developed mainly for improving high temperature creep strength. However, when austenitic steel is used as a large forging or casting material, the crystal grain size becomes large due to manufacturing restrictions, and the creep strength is sufficient, but the tensile strength and ductility cannot meet the design requirements. Occurs. In addition, in the case of austenitic steel having a large crystal grain size, there is a problem that attenuation occurs in ultrasonic flaw detection of the material and the defect detection ability is lowered. Known austenitic heat-resistant steels such as Alloy 286 are improved in high-temperature creep strength by using an intermetallic compound as a precipitation strengthening phase. However, no heat-resisting steel has been proposed that has sufficient creep strength as described above and ensures excellent tensile strength and tensile ductility.
高温構造材料の設計を行う上で、材料のクリープ強度、引張強度および引張延性は重要な因子である。しかしながら、従来のオーステナイト系耐熱鋼では、十分なクリープ強度を有しつつ、優れた引張強度および引張延性を確保することが困難であった。 In designing a high temperature structural material, the creep strength, tensile strength and tensile ductility of the material are important factors. However, it has been difficult for conventional austenitic heat resistant steels to ensure excellent tensile strength and tensile ductility while having sufficient creep strength.
本発明が解決しようとする課題は、十分なクリープ強度を有しつつ、優れた引張強度および引張延性を確保することのできるオーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide an austenitic heat-resisting steel and a turbine component that can ensure excellent tensile strength and tensile ductility while having sufficient creep strength.
上記実施形態に係るオーステナイト系耐熱鋼は、質量で、Ni:24〜50%、Cr:5〜13%、Co:0.1〜12%、Nb:0.1〜5%、V:0.1〜0.5%、Ti:1.90〜2.35%、Al:0.01〜0.30%、B:0.001〜0.01%、C:0.001〜0.1%、Zr:0.1〜2.0%、P:0.01〜0.2%を含有し、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。 The austenitic heat-resisting steel according to the embodiment is, by mass, Ni: 24 to 50%, Cr: 5 to 13%, Co: 0.1 to 12%, Nb: 0.1 to 5%, V: 0.00. 1-0.5%, Ti: 1.90-2.35%, Al: 0.01-0.30%, B: 0.001-0.01%, C: 0.001-0.1% , Zr: 0.1 to 2.0%, P: 0.01 to 0.2%, the balance being Fe and inevitable impurities.
本発明の実施形態は、十分なクリープ強度を有しつつ、優れた引張強度および引張延性を確保することのできるオーステナイト系耐熱鋼およびタービン部品を得ることができる。 The embodiment of the present invention can provide an austenitic heat resistant steel and a turbine component that can ensure excellent tensile strength and tensile ductility while having sufficient creep strength.
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本発明者らは、従来のオーステナイト系耐熱鋼においてZrおよびPを添加することによって凝固後の結晶粒径を微細に制御し、クリープ強度を有しつつ優れた引張強度および引張延性が得られることを見出した。 The inventors of the present invention can finely control the crystal grain size after solidification by adding Zr and P in a conventional austenitic heat resistant steel, and obtain excellent tensile strength and tensile ductility while having creep strength. I found.
オーステナイト系耐熱鋼に対して引張強度および延性を向上させるためには、ホールペッチの法則に則り結晶粒の微細化が一つの有効な手段となる。しかし、従来のオーステナイト鋼で大型鍛造品および鋳造品を製造する場合、鋳造中の凝固速度が遅く十分な結晶粒の成長が生じてしまい、粗大粒組織を示すため、引張強度および延性が得られない。 In order to improve tensile strength and ductility with respect to austenitic heat-resisting steel, refinement of crystal grains is one effective means in accordance with Hall Petch's law. However, when manufacturing large forgings and castings with conventional austenitic steels, the solidification rate during casting is slow and sufficient crystal grain growth occurs, indicating a coarse grain structure, resulting in tensile strength and ductility. Absent.
そこで、本発明者らは、ZrおよびPの添加によって、凝固速度が遅い状態でも結晶粒の微細化が可能であることを見出した。 Therefore, the present inventors have found that the addition of Zr and P enables the refinement of crystal grains even when the solidification rate is low.
ZrおよびPを添加することにより、溶湯においてZrとPが酸素と結びついて酸化物を形成する。この酸化物は、溶湯よりも先に凝固し溶湯中に微細均一に分布する。この酸化物は、溶湯が凝固し結晶粒が成長する際にピン止め効果を発揮し、粒成長を抑制する働きをする。この効果により微細な結晶粒を得たオーステナイト鋼は、十分なクリープ強度を有しつつ優れた引張強度および延性を確保することに成功した。 By adding Zr and P, Zr and P are combined with oxygen in the molten metal to form an oxide. This oxide solidifies before the molten metal and is finely and uniformly distributed in the molten metal. This oxide exhibits a pinning effect when the molten metal solidifies and crystal grains grow, and functions to suppress grain growth. The austenitic steel which obtained the fine crystal grain by this effect succeeded in ensuring the outstanding tensile strength and ductility, having sufficient creep strength.
以下、実施の形態を具体的に説明する。なお、以下の説明において組成成分を表す%は、特に明記しない限り質量%とする。 The embodiment will be specifically described below. In the following description, “%” representing a composition component is “% by mass” unless otherwise specified.
実施形態のオーステナイト系耐熱鋼は、質量で、Ni:24〜50%、Cr:5〜13%、Co:0.1〜12%、Nb:0.1〜5%、V:0.1〜0.5%、Ti:1.90〜2.35%、Al:0.01〜0.30%、B:0.001〜0.01%、C:0.001〜0.1%、Zr:0.1〜2.0%、P:0.01〜0.2%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる。 The austenitic heat resistant steel of the embodiment is, by mass, Ni: 24-50%, Cr: 5-13%, Co: 0.1-12%, Nb: 0.1-5%, V: 0.1 0.5%, Ti: 1.90-2.35%, Al: 0.01-0.30%, B: 0.001-0.01%, C: 0.001-0.1%, Zr : 0.1 to 2.0%, P: 0.01 to 0.2%, with the balance being Fe and inevitable impurities.
ここで、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼における不可避的不純物としては、例えばN、Si、MnおよびSなどが挙げられる。 Here, N, Si, Mn, S, etc. are mentioned as an unavoidable impurity in the austenitic heat-resistant steel of embodiment, for example.
実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、運転時の温度が650℃以上、さらには、700℃程度となるタービン部品を構成する材料として好適である。タービン部品として、例えば、タービンケーシング、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材、配管、弁などが挙げられる。ここで、螺合部材として、例えば、タービンケーシングやタービン内部の各種構成部品を固定するボルトやナットなどを例示することができる。配管としては、例えば、発電用タービンプラントなどに設置され、高温高圧の作動流体が通過する配管などを例示することができる。 The austenitic heat-resisting steel of the embodiment is suitable as a material constituting a turbine component having a temperature during operation of 650 ° C. or higher, and further about 700 ° C. Examples of the turbine component include a turbine casing, a moving blade, a stationary blade, a turbine rotor, a screwing member, piping, and a valve. Here, as a screwing member, a bolt, a nut, etc. which fix various components inside a turbine casing or a turbine can be illustrated, for example. Examples of the piping include piping installed in a power generation turbine plant and the like through which a high-temperature and high-pressure working fluid passes.
上記したタービン部品のすべての部位を、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼で構成してもよい。また、例えば、温度が650℃以上となるタービン部品の一部の部位を、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼で構成してもよい。 You may comprise all the parts of the above-mentioned turbine parts with the austenitic heat resistant steel of the embodiment. For example, you may comprise the one part site | part of the turbine components in which temperature becomes 650 degreeC or more with the austenitic heat-resistant steel of embodiment.
上記した本実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、従来のオーステナイト系耐熱鋼と同等のクリープ強度を有し、従来のオーステナイト系耐熱鋼よりも、引張強度および引張延性が高い。そのため、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼を用いて作製されたタービン部品においても、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼と同様な特性を有し、高い信頼性を有する。 The austenitic heat resistant steel of the present embodiment described above has a creep strength equivalent to that of the conventional austenitic heat resistant steel, and has higher tensile strength and tensile ductility than the conventional austenitic heat resistant steel. Therefore, the turbine component manufactured using the austenitic heat resistant steel of the embodiment also has the same characteristics as the austenitic heat resistant steel of the embodiment and has high reliability.
上記した、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼やタービン部品は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、CO2タービンなどの発電用タービンに適用することができる。 The above-described austenitic heat-resistant steel and turbine parts according to the embodiments can be applied to power generation turbines such as steam turbines, gas turbines, and CO 2 turbines, for example.
図1は、タービンの一例を示すものである。 FIG. 1 shows an example of a turbine.
タービン10は、例えば、ケーシング11、タービンロータ12、タービンディスク13、動翼14、および静翼15を有する。タービンロータ12は、ケーシング11の内部にこれを貫くように設けられている。タービンロータ12とタービンディスク13は、溶接部16によって溶接接合されている。なお、タービン10は、タービンロータ12またはタービンディスク13の一方を有しないものでもよいし、複数のタービンロータ12とタービンディスク13とが組み合わされたものでもよい。各タービンロータ12およびタービンディスク13の周囲には、複数の動翼14が植え込まれている。また、動翼14の前方には、静翼15が配置されている。静翼15は、ケーシング11に支持されている。動翼14と静翼15とにより、1つのタービン段落が構成されている。
The
次に、上記した実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼における各組成成分範囲の限定理由を説明する。 Next, the reason for limitation of each component range in the austenitic heat-resistant steel of the above-described embodiment will be described.
(1)Ni(ニッケル) (1) Ni (nickel)
Niは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。これらの効果は、Niの含有率が24%以上において発揮される。また、Niの含有率が50%以下において、材料コストの増加や加工性の低下が抑えられる。そのため、Niの含有率を24〜50%とした。より好ましいNiの含有率は34〜45%であり、さらに好ましいNiの含有率は38〜45%であり、最も好ましいNiの含有率は38〜41%である。 Ni dissolves in the Fe matrix and brings about solid solution strengthening of the matrix. These effects are exhibited when the Ni content is 24% or more. Further, when the Ni content is 50% or less, an increase in material cost and a decrease in workability can be suppressed. Therefore, the Ni content is determined to be 24 to 50%. A more preferable Ni content is 34 to 45%, a further preferable Ni content is 38 to 45%, and a most preferable Ni content is 38 to 41%.
(2)Cr(クロム) (2) Cr (chromium)
Crは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。また、Crは、γ’相の固溶温度を上昇させるため、γ’相の析出が促進される。これらの効果は、Crの含有率が5%以上で発揮される。また、Crの含有率が13%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、σ相の析出が抑制される。そのため、Crの含有率を5〜13%とした。より好ましいCrの含有率は、6〜10%であり、さらに好ましいCrの含有率は、6〜8%である。 Cr dissolves in the Fe matrix and brings about solid solution strengthening of the matrix. Moreover, since Cr raises the solid solution temperature of the γ ′ phase, the precipitation of the γ ′ phase is promoted. These effects are exhibited when the Cr content is 5% or more. Further, when the Cr content is 13% or less, a stable austenite structure is obtained and precipitation of the σ phase is suppressed. Therefore, the Cr content is determined to be 5 to 13%. A more preferable Cr content is 6 to 10%, and a still more preferable Cr content is 6 to 8%.
(3)Co(コバルト) (3) Co (cobalt)
Coは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。これらの効果は、Coの含有率が0.1%以上で発揮される。また、Coの含有率が12%以下において、材料コストの増加や耐力の低下が抑えられる。そのため、Coの含有率を0.1〜12%とした。より好ましいCoの含有率は0.1〜6%であり、さらに好ましいCoの含有率は、0.1〜4%である。 Co dissolves in the Fe matrix and causes solid solution strengthening of the matrix. These effects are exhibited when the Co content is 0.1% or more. Further, when the Co content is 12% or less, an increase in material cost and a decrease in yield strength can be suppressed. Therefore, the Co content is determined to be 0.1 to 12%. A more preferable Co content is 0.1 to 6%, and a more preferable Co content is 0.1 to 4%.
(4)Nb(ニオブ) (4) Nb (niobium)
NbはFe母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。また、Nbは、γ’相を形成して安定化させる。これらの効果は、Nbの含有率が0.1%以上で発揮される。また、Nbの含有率が5%以下において、材料コストの増加やδ(Ni3(Nb,Ta))相(金属間化合物)の析出が抑えられる。そのため、Nbの含有率を0.1〜5%以下とした。より好ましいNbの含有率は0.1〜3%であり、さらに好ましいNbの含有率は0.1〜2%である。 Nb forms a solid solution in the Fe matrix and causes solid solution strengthening of the matrix. Nb forms a γ ′ phase and stabilizes it. These effects are exhibited when the Nb content is 0.1% or more. Further, when the Nb content is 5% or less, an increase in material cost and precipitation of a δ (Ni 3 (Nb, Ta)) phase (intermetallic compound) can be suppressed. Therefore, the Nb content is set to 0.1 to 5% or less. A more preferable Nb content is 0.1 to 3%, and a more preferable Nb content is 0.1 to 2%.
(5)V(バナジウム) (5) V (Vanadium)
Vは、Fe母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。これらの効果は、Vの含有率が0.1%以上で発揮される。また、Vの含有率が0.5%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、σ相の析出が抑制される。そのため、Vの含有率を0.1〜0.5%とした。より好ましいVの含有率は0.1〜0.4%であり、さらに好ましいVの含有率は0.1〜0.3%である。 V is solid-solved in the Fe matrix and causes solid solution strengthening of the matrix. These effects are exhibited when the V content is 0.1% or more. Further, when the V content is 0.5% or less, a stable austenite structure is obtained, and precipitation of the σ phase is suppressed. Therefore, the V content is determined to be 0.1 to 0.5%. A more preferable V content is 0.1 to 0.4%, and a more preferable V content is 0.1 to 0.3%.
(6)Ti(チタン) (6) Ti (titanium)
Tiは、γ’相を形成して、強度を高める。Tiの含有率が1.90%以上において、γ’相の析出の促進が図れる。また、Tiの含有率が2.35%以下において、安定したオーステナイト構造が得られるとともに、線膨張係数の増加を抑え、炭化物や窒化物の適量形成によりピン止め効果を発揮して、微細粒化に伴う延性の向上をもたらす。そのため、Tiの含有率を1.90〜2.35%とした。 Ti forms a γ 'phase and increases the strength. When the Ti content is 1.90% or more, the precipitation of the γ ′ phase can be promoted. In addition, when the Ti content is 2.35% or less, a stable austenite structure can be obtained, an increase in the linear expansion coefficient is suppressed, and a pinning effect is exhibited by forming an appropriate amount of carbide and nitride, thereby achieving a fine grain Resulting in improved ductility. Therefore, the Ti content is determined to be 1.90 to 2.35%.
(7)Al(アルミニウム) (7) Al (aluminum)
Alは、γ’相を形成して、強度を高める。Alの含有率が0.30%以下において、γ’相が十分析出し、ピン止め効果を発揮して微細粒化に伴う強度および延性に向上をもたらす。そのため、Alの含有率を0.01〜0.30%とした。より好ましいAlの含有率は0.01〜0.20%であり、さらに好ましいAlの含有率は0.01〜0.10%である。 Al forms a γ 'phase to increase the strength. When the Al content is 0.30% or less, the γ 'phase is sufficiently precipitated and exhibits a pinning effect, thereby improving the strength and ductility associated with fine graining. Therefore, the Al content is determined to be 0.01 to 0.30%. A more preferable Al content is 0.01 to 0.20%, and a more preferable Al content is 0.01 to 0.10%.
(8)B(ホウ素) (8) B (boron)
Bは、Fe母相に固溶して、特に粒界偏析するため、粒界強化をもたらす。また、Bは、Tiを多く含む場合、η相の析出を抑制する効果がある。これらの効果は、Bの含有率が0.001%以上において発揮される。また、Bの含有率が0.01%以下において、母相の融点の低下を抑え、高温での強度が向上する。そのため、Bの含有率を0.001〜0.01%とした。より好ましいBの含有率は、0.004〜0.006%である。 B dissolves in the Fe matrix, and particularly segregates at the grain boundaries, thereby strengthening the grain boundaries. Further, when B contains a large amount of Ti, it has an effect of suppressing precipitation of the η phase. These effects are exhibited when the B content is 0.001% or more. Further, when the B content is 0.01% or less, a decrease in the melting point of the parent phase is suppressed, and the strength at high temperature is improved. Therefore, the B content is determined to be 0.001 to 0.01%. A more preferable content of B is 0.004 to 0.006%.
(8)C(炭素) (8) C (carbon)
Cは、Crとの炭化物を形成し、ピン止め効果による微細粒化をもたらし、母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。Cの含有率が0.001%未満の場合には、上記した効果が十分に発揮されない。一方、Cの含有率が0.1%を超えると、オーステナイト構造の不安定化をもたらすとともに、炭化物が粗大化しすぎて高温強度を低下させる。そのため、Cの含有率を0.001〜0.1%とした。さらに好ましいCの含有率は、0.01〜0.08%であり、さらに好ましいCの含有率は0.01〜0.05%である。 C forms a carbide with Cr, brings about fine graining due to the pinning effect, and forms a solid solution in the parent phase, resulting in solid solution strengthening of the mother phase. When the C content is less than 0.001%, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, when the C content exceeds 0.1%, the austenite structure is destabilized and the carbide is excessively coarsened to lower the high temperature strength. Therefore, the C content is determined to be 0.001 to 0.1%. A more preferable C content is 0.01 to 0.08%, and a more preferable C content is 0.01 to 0.05%.
(9)Zr(ジルコニウム) (9) Zr (zirconium)
Zrは、Oと酸化物を形成し、ピン止め効果による微細粒化をもたらし、母相に固溶し、母相の固溶強化をもたらす。Zrの含有率が0.1%未満の場合には、上記した効果が十分に発揮されない。一方、Zrの含有率が2%を超えると、オーステナイト構造の不安定化をもたらすとともに、酸化物が析出しすぎて高温強度を低下させる。そのため、Zrの含有率を0.1〜2.0%とした。さらに好ましいZrの含有率は、0.5〜2.0%であり、さらに好ましいZrの含有率は1.0〜2.0%である。 Zr forms an oxide with O, brings about fine graining due to the pinning effect, dissolves in the parent phase, and strengthens the solid solution of the mother phase. When the Zr content is less than 0.1%, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, if the content of Zr exceeds 2%, the austenite structure is destabilized, and oxides are precipitated too much to lower the high temperature strength. Therefore, the Zr content is determined to be 0.1 to 2.0%. A more preferable Zr content is 0.5 to 2.0%, and a more preferable Zr content is 1.0 to 2.0%.
(10)P(リン) (10) P (phosphorus)
Pは、Oと酸化物を形成し、ピン止め効果による微細粒化をもたらし、引張強度および延性を向上させる。Pの含有率が0.01%未満の場合には、上記した効果が十分に発揮されない。一方、Zrの含有率が0.2%を超えると、オーステナイト構造の不安定化をもたらすとともに、酸化物が析出しすぎて材料脆化をもたらす。そのため、Pの含有率を0.01〜0.2%とした。さらに好ましいPの含有率は、0.05〜0.2%であり、さらに好ましいZrの含有率は0.1〜0.2%である。
(9)N(窒素)、Si(ケイ素)、Mn(マンガン)およびS(硫黄)
P forms an oxide with O, brings about fine graining due to the pinning effect, and improves the tensile strength and ductility. When the P content is less than 0.01%, the above-described effects are not sufficiently exhibited. On the other hand, when the Zr content exceeds 0.2%, the austenite structure is destabilized and the oxide is excessively precipitated, resulting in material embrittlement. Therefore, the P content is determined to be 0.01 to 0.2%. A more preferable content of P is 0.05 to 0.2%, and a more preferable content of Zr is 0.1 to 0.2%.
(9) N (nitrogen), Si (silicon), Mn (manganese) and S (sulfur)
N、Si、MnおよびSは、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼においては、不可避的不純物に分類されるものである。これらの不可避的不純物は、可能な限りその残存含有率を0%に近づけることが好ましい。 N, Si, Mn and S are classified as inevitable impurities in the austenitic heat-resistant steel of the embodiment. These inevitable impurities are preferably made to have a residual content as close to 0% as possible.
次に、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼、およびこのオーステナイト系耐熱鋼を用いて製造されるタービン部品の製造方法について説明する。 Next, an austenitic heat resistant steel according to an embodiment and a method for manufacturing a turbine component manufactured using the austenitic heat resistant steel will be described.
実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼は、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、その溶湯を所定の型枠に注入して鋳塊を形成する。そして、鋳塊に溶体化処理(固溶化熱処理)および時効処理を施して、オーステナイト系耐熱鋼が作製される。 The austenitic heat-resistant steel of the embodiment is manufactured as follows, for example. First, the composition components constituting the austenitic heat resistant steel are, for example, vacuum induction melted (VIM), and the molten metal is poured into a predetermined mold to form an ingot. Then, the ingot is subjected to a solution treatment (solution heat treatment) and an aging treatment to produce an austenitic heat resistant steel.
タービン部品であるタービンケーシングは、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、その溶湯をタービンケーシングの形状に形成するための型枠に注入し、大気鋳造して構造体を作製する。そして、構造体に溶体化処理および時効処理を施して、タービンケーシングが作製される。 A turbine casing that is a turbine component is manufactured, for example, as follows. First, the composition components constituting the austenitic heat-resisting steel are, for example, vacuum induction melted (VIM), the molten metal is poured into a mold for forming the shape of a turbine casing, and cast into the atmosphere to produce a structure. . And a solution casing process and an aging process are given to a structure, and a turbine casing is produced.
なお、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、電気炉溶解(EF)し、アルゴン−酸素脱炭(AOD)して溶湯としてもよい。 In addition, the composition component which comprises an austenitic heat-resisting steel is good also as, for example, carrying out electric furnace melting | dissolving (EF), argon-oxygen decarburization (AOD), and making a molten metal.
タービン部品である、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材、弁は、例えば次のように作製される。まず、実施形態のオーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、エレクトロスラグ再溶解(ESR)し、減圧雰囲気で所定の型に流し込み鋳塊を作製する。そして、この鋳塊を上記タービン部品の形状に対応する型に配置して圧延などの鍛造処理を施す。続いて、溶体化処理、時効処理などを施すことで、動翼、静翼、タービンロータ、螺合部材が作製される。 For example, the rotor blade, the stationary blade, the turbine rotor, the screwing member, and the valve, which are turbine parts, are manufactured as follows. First, for example, vacuum induction melting (VIM) and electroslag remelting (ESR) are performed on the composition components constituting the austenitic heat-resistant steel of the embodiment, and the ingot is cast into a predetermined mold in a reduced-pressure atmosphere. And this ingot is arrange | positioned to the type | mold corresponding to the shape of the said turbine components, and forge processes, such as rolling, are given. Then, a moving blade, a stationary blade, a turbine rotor, and a screwing member are produced by performing solution treatment, aging treatment, and the like.
なお、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、真空アーク再溶解(VAR)して溶湯としてもよい。また、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、例えば、真空誘導溶解(VIM)し、エレクトロスラグ再溶解(ESR)し、真空アーク再溶解(VAR)して溶湯としてもよい。 In addition, the composition component which comprises austenitic heat-resisting steel is good also as a molten metal, for example by carrying out vacuum induction melting (VIM) and vacuum arc remelting (VAR). Moreover, the composition component which comprises austenitic heat-resisting steel is good also as a molten metal by carrying out vacuum induction melting (VIM), electroslag remelting (ESR), and vacuum arc remelting (VAR), for example.
タービン部品である配管は、例えば、次のように製造される。まず、オーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を、真空誘導溶解(VIM)を行い溶湯とし、または電気炉溶解(EF)してアルゴン−酸素脱炭(AOD)を行い溶湯とし、円筒形の型を高速回転させた状態でこの溶湯を流し込む。続いて、回転の遠心力を利用して溶湯を加圧し、配管形状の構造体を作製する(遠心鋳造法)。そして、構造体に溶体化処理および時効処理を施して、配管が作製される。 Piping which is a turbine part is manufactured as follows, for example. First, the components constituting the austenitic heat-resisting steel are subjected to vacuum induction melting (VIM) to form a molten metal, or electric furnace melting (EF) to perform argon-oxygen decarburization (AOD) to obtain a molten metal, and a cylindrical mold The molten metal is poured while rotating at a high speed. Subsequently, the molten metal is pressurized using the centrifugal force of rotation to produce a pipe-shaped structure (centrifugal casting). And a solution treatment and an aging treatment are given to a structure, and piping is produced.
なお、タービン部品を作製する方法は、上記した方法に限定されるものではない。 In addition, the method for producing the turbine component is not limited to the above-described method.
次に、溶体化処理および時効処理について説明する。 Next, solution treatment and aging treatment will be described.
溶体化処理は、加工歪の除去や整粒化、γ単相化を目的として実施される。溶体化処理では、処理部材を885〜995℃の温度に所定時間維持し、その後、室温まで急冷する。温度が885℃以上において、上記した効果が得られる。また、温度が995℃以下において、結晶粒の過度な粗大化が抑制される。急冷は、例えば、水冷や強制空冷などによって行われる。 The solution treatment is performed for the purpose of removal of processing strain, grain size adjustment, and γ single phase formation. In the solution treatment, the treatment member is maintained at a temperature of 885 to 995 ° C. for a predetermined time, and then rapidly cooled to room temperature. The effect described above can be obtained at a temperature of 885 ° C. or higher. Further, when the temperature is 995 ° C. or lower, excessive coarsening of crystal grains is suppressed. The rapid cooling is performed by, for example, water cooling or forced air cooling.
時効処理は、結晶粒内にγ’相を析出させ、高温強度を付与するために行われる。時効処理では、処理部材を700〜760℃の温度に所定時間維持し、その後、室温まで冷却する。温度が700℃以上において、γ’相が十分に析出する。また、温度が760℃以下において、γ’相の早期の粗大化による析出密度の減少が抑制される。冷却は、例えば、大気中における自然冷却などによって行われる。 The aging treatment is performed for precipitating a γ 'phase in crystal grains and imparting high temperature strength. In the aging treatment, the treatment member is maintained at a temperature of 700 to 760 ° C. for a predetermined time, and then cooled to room temperature. When the temperature is 700 ° C. or higher, the γ ′ phase is sufficiently precipitated. Further, when the temperature is 760 ° C. or lower, the decrease in the precipitation density due to the early coarsening of the γ ′ phase is suppressed. The cooling is performed by, for example, natural cooling in the atmosphere.
ここでは、実施の形態のオーステナイト系耐熱鋼において、従来のオーステナイト系耐熱鋼の高温クリープ強度を有しつつ、優れた引張強度および延性が得られることを説明する。 Here, it will be described that in the austenitic heat resistant steel of the embodiment, excellent tensile strength and ductility can be obtained while having the high temperature creep strength of the conventional austenitic heat resistant steel.
表1は、評価に用いられた試料1〜試料12の化学組成を示す。なお、試料1〜試料9は、本実施の形態の化学組成範囲にあるオーステナイト系耐熱鋼であり、試料10〜試料12は、その化学組成が本実施の形態の化学組成範囲にないオーステナイト系耐熱鋼であり、比較例である。
試料1〜試料12のオーステナイト系耐熱鋼について、クリープ破断試験および引張試験を行った。
A creep rupture test and a tensile test were performed on the austenitic heat resistant steels of Sample 1 to
それぞれの試験に使用する試験片は、次のように作製された。 The test piece used for each test was produced as follows.
表1に示す化学組成を有する試料1〜試料12のオーステナイト系耐熱鋼を構成する組成成分を得るために必要な原材料を真空誘導溶解炉にて溶解し、それぞれ2kgの鋳塊を作製した。得られた鋳塊に対して溶体化処理を施した。溶体化処理では、940℃の温度で30分間加熱し、その後、強制空冷によって室温まで急冷した。続いて、鋳塊に対して時効処理を施した。時効処理では、760℃の温度で16時間加熱し、その後、大気中における自然冷却によって室温まで冷却した。 Raw materials necessary for obtaining the compositional components constituting the austenitic heat-resisting steels of Sample 1 to Sample 12 having the chemical compositions shown in Table 1 were melted in a vacuum induction melting furnace to produce 2 kg ingots. The obtained ingot was subjected to a solution treatment. In the solution treatment, heating was performed at a temperature of 940 ° C. for 30 minutes, and then rapidly cooled to room temperature by forced air cooling. Subsequently, an aging treatment was performed on the ingot. In the aging treatment, heating was performed at a temperature of 760 ° C. for 16 hours, and then cooled to room temperature by natural cooling in the atmosphere.
クリープ破断試験は、各試料による試験片に対して、JIS Z 2271に準拠して実施した。また引張試験は、各試料による試験片に対して、JISZ 2201に準拠して実施した。 The creep rupture test was performed based on JIS Z 2271 with respect to the test piece by each sample. Moreover, the tensile test was implemented based on JISZ2201 with respect to the test piece by each sample.
クリープ破断強度は、700℃/10万時間クリープ破断強度を求めた。なお、700℃/10万時間クリープ破断強度は、試験温度を700〜800℃、試験応力を200〜400MPaの範囲で実施した破断時間1000時間程度の試験結果に基づいて、Larson-Miller法によって外挿することで求められた。 The creep rupture strength was determined as 700 ° C./100,000 hours creep rupture strength. The creep rupture strength at 700 ° C./100,000 hours is calculated by the Larson-Miller method based on the test results of a test time of 700 to 800 ° C. and a test stress of 200 to 400 MPa with a rupture time of about 1000 hours. It was calculated by inserting.
クリープ破断試験結果、および引張試験結果を表2に示す。
表2に示すように、クリープ破断強度は、試料1〜試料12で同程度であり、十分な特性が得られた。しかし従来のオーステナイト系耐熱鋼である試料10〜12の引張強度は700MPa以下であり、かつ伸びは20%以下である。これに対して、試料1〜試料9においては、引張強度は700MPa以上である。また、試料1〜試料9の伸びは20%以上である。
As shown in Table 2, the creep rupture strength was the same for Sample 1 to
以上の結果から、試料1〜試料9においては、従来のオーステナイト系耐熱鋼のクリープ強度を維持しつつ、引張強度および延性の向上が実現されている。 From the above results, in samples 1 to 9, the tensile strength and ductility are improved while maintaining the creep strength of the conventional austenitic heat resistant steel.
以上説明した実施形態によれば、高温強度を維持しつつ線膨張係数を低減し、かつ十分な溶接性を確保することが可能となる。 According to the embodiment described above, it is possible to reduce the linear expansion coefficient while maintaining high temperature strength and to secure sufficient weldability.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10タービン、11ケーシング、12タービンロータ、13タービンディスク、14動翼、15静翼、16溶接部。 10 turbines, 11 casings, 12 turbine rotors, 13 turbine disks, 14 blades, 15 stator blades, 16 welds.
Claims (8)
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