沉淀硬化型马氏体系不锈钢、汽轮机动叶片和汽轮的制造方法

沉淀硬化型马氏体系不锈钢、汽轮机动叶片和汽轮的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种沉淀硬化型马氏体系不锈钢、汽轮机动叶片和汽轮机。本发明的沉淀硬化型马氏体系不锈钢以质量%计含有Cr：8.5～12.5、Mo：1～2、Ni：8.5～11.5、Ti：0.6～1.4、C：0.0005～0.05、Al：0.0005～0.25、Cu：0.005～0.75、Nb：0.0005～0.3、Si：0.005～0.75、Mn：0.005～1、N：0.0001～0.03，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。
【专利说明】沉淀硬化型马氏体系不锈钢、汽轮机动叶片和汽轮机
【技术领域】
[0001]本发明涉及沉淀硬化(析出硬化)型马氏体系不锈钢、汽轮机动叶片和汽轮机。
【背景技术】
[0002]对于发电用的汽轮机而言，为了提高发电效率并且增大发电容量，低压级的涡轮级所具备的动叶片的叶片长度有增加的趋势。因此，对于低压级的涡轮级所具备的动叶片，要求有高强度、高韧性、高耐腐蚀性。
[0003]作为现有的汽轮机中构成低压级的动叶片的材料，使用了具有强度以抗拉强度计为1300MPa级、韧性以室温的夏氏吸收能(夏氏冲击吸收能)计为40J级的特性的钢铁材料。现在，作为构成动叶片的钢铁材料，要求强度和韧性更加优异的材料。
[0004]由于由涡轮的高速旋转产生的离心应力作用于动叶片，因此就强度而言更重视比强度(将抗拉强度除以密度得到的参数)。所以，近年来，作为构成动叶片的材料，还使用了密度小的钛合金等。然而，由于钛合金价格昂贵，所以希望用便宜的钢铁材料来代替钛合金。
[0005]作为具有高强度、高韧性、高耐腐蚀性的钢铁材料，有沉淀硬化型马氏体系不锈钢，对于这种不锈钢进行了用于使强度、韧性、耐腐蚀性等提高的研究。作为这样的研究，有日本专利公报专利第3227468号公报(以下称为专利文献I)和日本专利公报专利第3962743号公报(以下称为专利文献2)。
`[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本专利第3227468号公报
[0009]专利文献2:日本专利第3962743号公报

【发明内容】

[0010]发明所要解决的问题
[0011]对于现有的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而言，通常来说如果使抗拉强度提高则韧性降低。因此，为了以均衡方式提高强度和韧性，添加了各种元素。然而，添加元素的量多时，马氏体相变开始温度会降低，在淬火时容易生成残留奥氏体。为了实现耐腐蚀性的提高而增加Cr的添加量时，容易生成δ铁素体。
[0012]这样，为了在热处理工艺中维持马氏体组织的稳定性，有复杂的约束条件，要求在该约束下具有规定的强度和韧性的沉淀硬化型马氏体系不锈钢。
[0013]对于现有的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而言，例如有时为了在热处理工艺中使马氏体相变结束而需要深冷处理(sub-zero treating),存在制造成本增加这样的问题。另外，对于现有的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而言，例如得不到足够适合作为汽轮机中低压级的动叶片的材料的强度和韧性。
[0014]本发明所要解决的问题在于，提供强度和韧性优异的沉淀硬化型马氏体系不锈钢、使用了该沉淀硬化型马氏体系不锈钢的汽轮机动叶片和汽轮机。
[0015]用于解决问题的手段
[0016]本发明的沉淀硬化型马氏体系不锈钢以质量％计含有Cr:8.5~12.5,Mo:1~2、N1:8.5 ~11.5,T1:0.6 ~1.4、C:0.0005 ~0.05,Al:0.0005 ~0.25,Cu:0.005 ~0.75、Nb:0.0005 ~0.3、Si:0.005 ~0.75、Mn:0.005 ~1、N:0.0001 ~0.03，剩余部分由 Fe 和
不可避免的杂质构成。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]图1是表示使用本发明的实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而构成的动叶片的立体图。
[0018]图2是表示具备使用本发明的实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而构成的动叶片的汽轮机的子午截面的一部分的图。
[0019]符号说明
[0020]10 动叶片
[0021]20 汽轮机
[0022]21 机匣
[0023]22 涡轮转子
[0024]23 隔板外环
[0025]24 隔板内环
[0026]25 静叶片
[0027]26 蒸汽通道
【具体实施方式】
[0028]以下，对本发明的实施方式进行说明。
[0029]实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢以质量％计含有Cr:8.5~12.5,Mo:1~
2、N1:8.5 ~11.5、T1:0.6 ~1.4、C:0.0005 ~0.05、Al:0.0005 ~0.25、Cu:0.005 ~0.75,Nb:0.0005 ~0.3、Si:0.005 ~0.75,Mn:0.005 ~UN:0.0001 ~0.03，剩余部分由
Fe和不可避免的杂质构成。
[0030]这里，作为不可避免的杂质，可以列举例如P、S、As、Sn、Sb等。
[0031]实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢优选被以由下式(I)算出的值为0.1以上的方式构成。
[0032][Cr]/([Cr]+ [Fe])式(I)
[0033]其中，式(I)中的各括号是指各括号内的元素的含有率(质量％)(以下式(2)、式(3)中也是同样的)。
[0034]对于不锈钢而言，为了具备耐腐蚀性(耐全面腐蚀性)，需要在表面形成钝化被膜。其中，钝化被膜所含有的Cr含量越多则耐腐蚀性(耐全面腐蚀性)越优异。即，式(I)的值越大时，耐腐蚀性(耐全面腐蚀性)越优异(例如日本防腐蚀工程学会(Japan Society ofCorrosion Engineering)腐蚀中心(Corrosion Center)发行,腐蚀中心新闻(CorrosionCenter News)，N0.048，2009 年 I 月)。[0035]对于实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而言，为了提高耐腐蚀性(耐全面腐蚀性)，将式(I)的值设为0.1以上。另外，更优选将式(I)的值设为0.11以上。其中，式(O的值的上限值是由实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢所含的Cr和Fe的含有率的范围必然可以确定的。
[0036]实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢优选被以由下式(2)算出的值为12.5以上的方式构成。
[0037][Cr]+3.3[Mo]式(2)
[0038]对于不锈钢而言，根据所使用的环境，有时钝化被膜破坏而发生被称为孔蚀的腐蚀现象。不锈钢的耐孔蚀性可以用式(2)所示的孔蚀指数(PRE:Pitting ResistanceEquivalent)来进行评价(例如日本防腐蚀工程学会腐蚀中心发行，腐蚀中心新闻，N0.048，2009 年 I 月)。
[0039]对于实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而言，为了提高耐孔蚀性，将式(2)的值设为12.5以上。另外，更优选将式(2)的值设为14以上。其中，式(2)的值的上限值是由实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢所含的Cr和Mo的含有率的范围必然可以确定的。
[0040]实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢优选满足上述式(I)和式(2)所述的条件中的至少任意一个条件，更优选满足两个条件。通过使用满足上述式(I)和式(2)所述的条件中的至少任意一个条件的沉淀硬化型马氏体系不锈钢来构成汽轮机的低压级的涡轮级所具备的动叶片，例如能够得到耐腐蚀性更优异的动叶片。
[0041]实施方式的沉淀硬 化型马氏体系不锈钢优选被以由下式(3)算出的值为100以上的方式构成。
[0042]195-1200 ([C] -0.006) -23 ([Cr]-12) -40 ([Ni]-9)-16 ([Mo] +0.5 [W]-1.5) -3.75 [AI]-34[Ti]-20[Cu]式(3)
[0043]式(3)中，记载了在实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢的组成成分中不含有的钨(W)，例如当在不可避免的杂质中含有W时，代入该W的含有率。因此，在不含W时，[W]的值为“O”。
[0044]在由沉淀硬化型马氏体系不锈钢制造例如动叶片等涡轮部件的工序中所实施的热处理会给制造成本等带来影响。因此，可以认为合金元素对马氏体相变开始温度的作用对于马氏体系不锈钢而言也是很重要的。式(3)是作为沉淀硬化型马氏体系不锈钢的马氏体相变开始温度的评价指标Ms (°C)使用的指标(例如日本专利第4685028号公报)。
[0045]对于实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而言，在淬火后，为了完全地制成淬火马氏体组织，优选式(3)即Ms的值为100以上。
[0046]在式(3)的值即马氏体相变开始温度的评价指标Ms为100以上时，能够利用常规的冷却将组织的大部分进行马氏体化，因此不需要深冷处理等低温处理。为了将还包括冷却速度慢的厚壁坯料的中心部或化学成分分布不均的微观偏析部在内的大部分进行马氏体化，式(3)的值更优选为120以上。其中，式(3)的值的上限值是由实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢所含的、式(3)所含的各组成成分的含有率的范围必然可以确定的。
[0047]这里，实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢优选满足上述式(I)和式(2)所述的条件中的至少一个条件，并且满足式(3)所述的条件。另外，更优选满足上述式(I)~式(3)所述的全部条件。
[0048]对于上述实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢中的各组成成分范围的限定理由进行说明。其中，在没有特别明确记载的情况下，以下的说明中表示组成成分的％为质量％。
[0049](I) Cr (铬)
[0050]Cr是对于用于得到优异的耐腐蚀性重要的元素。为了发挥该效果，需要含有8.5%以上的Cr。另一方面，如果Cr的含有率超过12.5%，则由于δ铁素体的析出而使韧性降低。另外，对于提高强度、韧性等有效的其他元素的添加受到限制。因此，将Cr的含有率设为8.5~12.5%。根据同样的理由，更优选将Cr的含有率设为9~10%。
[0051](2) Mo (钥)
[0052]Mo与Cr同样是对于提高耐腐蚀性有效的元素。为了发挥该效果，需要含有1%以上的Mo。另一方面，如果Mo的含有率超过2%，则由于δ铁素体的析出而使韧性降低。另外，由于Mo为较昂贵的元素，所以制造成本增加。因此，将Mo的含有率设为I~2%。根据同样的理由，更优选将Mo的含有率设为1.3~1.8%。
[0053](3) Ni (镍)
[0054]Ni与Ti形成金属间化合物而有助于沉淀硬化，使韧性提高，从而具有抑制δ铁素体析出的效果。为了达到目标韧性，需要含有8.5%以上的Ni。另一方面，如果Ni的含有率超过11.5%，则上述式(3)所示的评价指标Ms降低，生成残留奥氏体。另外，由于Ni为较昂贵的元素，所以制造成本增加 。因此，Ni的含有率设为8.5~11.5%。根据同样的理由，更优选将Ni的含有率设为10~11.5%。
[0055](4) Ti (钛)
[0056]Ti与Ni形成金属间化合物而有助于沉淀硬化。为了发挥该效果，需要含有0.6%以上的Ti。另一方面，如果Ti的含有率超过1.4%，则韧性降低。因此，将Ti的含有率设为0.6~1.4%。根据同样的理由，更优选将Ti的含有率设为0.7~1.3%。
[0057](5) C (碳)
[0058]C对于抑制δ铁素体的析出有效。为了发挥该效果，需要含有0.0005%以上的C。另一方面，如果C的含有率超过0.05%，则上述式(3)所示的评价指标Ms降低，生成残留奥氏体。另外，碳化物的析出使耐腐蚀性降低。因此，将C的含有率设为0.0005~0.05%。根据同样的理由，更优选将C的含有率设为0.01~0.02%。
[0059](6) Al (铝)
[0060]Al有助于沉淀硬化。为了发挥该效果，需要含有0.0005%以上的Al。另一方面，如果Al的含有率超过0.25%，则韧性降低。因此，将Al的含有率设为0.0005~0.25%。根据同样的理由，更优选将Al的含有率设为0.001~0.025%。
[0061](7) Cu (铜)
[0062]Cu有助于沉淀硬化。为了发挥该效果，需要含有0.005%以上的Cu。另一方面，如果Cu的含有率超过0.75%，则韧性、延性、强度降低。因此，将Cu的含有率设为0.005~
0.75%。根据同样的理由，更优选将Cu的含有率设为0.005~0.25%。
[0063](8) Nb (铌)
[0064]Nb有助于沉淀硬化。为了发挥该效果，需要含有0.0005%以上的Nb。另一方面，如果Nb的含有率超过0.3%，则韧性降低。因此，将Nb的含有率设为0.0005~0.3%。根据同样的理由，更优选将Nb的含有率设为0.001~0.025%。
[0065](9) Si (硅)
[0066]Si具备作为脱氧剂的功能。为了发挥该效果，需要含有0.005%以上的Si。另一方面，如果Si的含有率超过0.75%，则由于δ铁素体而使韧性降低。因此，将Si的含有率设为0.005~0.75%。根据同样的理由，更优选将Si的含有率设为0.005~0.1%。
[0067](IO)Mn (锰)
[0068]Mn具有脱氧剂的效果，对于抑制δ铁素体的析出有效。为了发挥该效果，需要含有0.005%以上的Mn。另一 方面，如果Mn的含有率超过1%，则生成残留奥氏体。因此，将Mn的含有率设为0.005~1%。根据同样的理由，更优选将Mn的含有率设为0.005~0.1%。
[0069](Il)N (氮)
[0070]N对于抑制δ铁素体的析出有效。为了发挥该效果，需要含有0.0001%以上的N。另一方面，如果N的含有率超过0.03%，则生成残留奥氏体。另外，N与Ti形成化合物，抑制有助于强度的由Ni和Ti形成的金属间化合物的形成。因此，将N的含有率设为0.0001~0.03%。根据同样的理由，更优选将N的含有率设为0.0005~0.01%。
[0071](12) P (磷)、S (硫)、As (砷)、Sn (锡)和 Sb (锑)
[0072]在实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢中，P、S、As、Sn和Sb是被分类为不可避免的杂质的成分。对于这些不可避免的杂质而言，优选使其残存含有率尽可能接近0%。
[0073]上述实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢的强度和韧性优异。因此，实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢适合作为例如构成汽轮机动叶片的材料。在汽轮机动叶片之中，特别适合作为要求高强度、高韧性、高耐腐蚀性的例如构成叶片长度增加的低压涡轮的低压级(例如最后级等)的涡轮级所具备的动叶片的材料。
[0074]这里，对于实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢和使用该沉淀硬化型马氏体系不锈钢制造的汽轮机动叶片的制造方法进行说明。
[0075]实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢例如如下制造。
[0076]采用电弧式电炉、真空感应电炉等熔炼炉，对用于得到构成上述沉淀硬化型马氏体系不锈钢的组成成分所需的原材料进行熔炼，并且进行精炼、脱气。然后，浇注到规定尺寸的模具中，使其凝固形成钢锭。其中，在钢锭中产生偏析等不均匀构成时，为了使其形成均匀的构成，优选利用ESR (电渣重熔)或VAR (真空电弧重熔)等对钢锭再次进行熔炼，浇注到规定尺寸的模具中，使其凝固形成钢锭。
[0077]接着，将凝固完成后的钢锭加热到1050~1250°C，以达到规定尺寸的方式进行热加工(锻造)。然后，在940~980°C的温度下对钢锭实施一定时间的固溶处理，然后实施水淬火。接着，在490~580°C的温度下对钢锭进行一定时间的时效处理。通过实施该时效处理，能够实现由金属间化合物、碳化物进行的沉淀强化(析出强化)。经过这样的工序，制造沉淀硬化型马氏体系不锈钢。
[0078]汽轮机动叶片例如如下制造。
[0079]采用电弧式电炉、真空感应电炉等熔炼炉，对用于将用于得到构成上述沉淀硬化型马氏体系不锈钢的组成成分所需的原材料进行熔炼，并且进行精炼、脱气。然后，浇注到规定尺寸的模具中，使其凝固形成钢锭。其中，在钢锭中产生偏析等不均匀构成时，为了使其形成均匀的构成，优选利用ESR (电渣重熔)或VAR (真空电弧重熔)等对钢锭再次进行熔炼，浇注到规定尺寸的模具中，使其凝固形成钢锭。
[0080] 接着，将凝固完成后的钢锭加热到1050~1250°C，使用模具热加工(模锻)成动叶片的叶片形状。接着，在940~980°C的温度下对钢锭实施一定时间的固溶处理，然后实施水淬火。接着，在490~580°C的温度下对钢锭实施一定时间的时效处理。通过实施该时效处理，能够实现由金属间化合物、碳化物进行的沉淀强化。经过这样的工序，制造动叶片。[0081 ] 这里，固溶处理和时效处理中的加热温度优选设为上述的范围是由于以下的理由。对于固溶处理而言，在温度低于940°C时，热加工时产生的粗大的未固溶碳氮化物的固溶变得不充分，在温度高于980°C时，奥氏体结晶粒径变得粗大，时效处理后的韧性降低。对于时效处理而言，温度低于490°C时，金属间化合物的时效析出没有充分进行，强度的提高不充分，在温度高于580°C时，金属间化合物过剩地时效析出，韧性降低。
[0082]图1是使用本发明的实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而构成的动叶片10的立体图。图2是表示具备使用本发明的实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而构成的动叶片10的汽轮机20的子午剖面的一部分的图。
[0083]经过上述制造工序，制造例如如图1所示的长翼的动叶片10。该动叶片10安装在例如低压涡轮的最后级的涡轮级。
[0084]具备有动叶片10的汽轮机20具备机匣21，在该机匣21内贯通设置有植设了动叶片10的涡轮转子22。在周向上植设多个动叶片10构成动叶片翼列，在涡轮转子轴向上具备多列该动叶片翼列。涡轮转子22由未图示的转子轴承以能够旋转的方式支撑。
[0085]在机匣21的内周，以在涡轮转子22的轴向上与动叶片10交替的方式，配设有被隔板外环23和隔板内环24支撑的静叶片25。在周向上配置多个静叶片25构成静叶片翼列，由静叶片翼列和位于正下游侧的动叶片翼列构成一个涡轮级。
[0086]流入汽轮机20内的蒸汽边作膨胀功，边通过具备各涡轮级的静叶片25、动叶片10且渐渐扩大的蒸汽通道26，使涡轮转子22旋转。并且，通过最后级的涡轮级的蒸汽会通过排气流道(未图示)流出到汽轮机20的外部。
[0087]如上所述，由实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢构成汽轮机20的动叶片10，由此能够构成强度和韧性优异的动叶片10。
[0088](强度和韧性的评价)
[0089](化学组成的影响)[0090]以下，对于实施方式的沉淀硬化型马氏体系不锈钢的强度和韧性优异这一点进行说明。首先，对于化学组成对强度和韧性的影响进行说明。
[0091]表1表示在强度和韧性的评价中所使用的试样I~试样13的化学组成。表2表示热处理条件、强度和韧性的评价结果。此外，试样I~试样8为在本实施方式的化学组成范围内的沉淀硬化型马氏体系不锈钢，试样9~试样13为其组成不在本实施方式的化学组成范围内的沉淀硬化型马氏体系不锈钢，为比较例。表1所示的各试样的组成成分以质量％表不。另外，表1中表不由上述式(I)、式(2)、式(3)算出的值，表1所不的Ms是由式(3)算出的值。
【权利要求】
1.一种沉淀硬化型马氏体系不锈钢，其特征在于，以质量％计含有Cr:8.5~12.5,Mo:I ~2、Ni:8.5 ~11.5,T1:0.6 ~1.4、C:0.0005 ~0.05,Al:0.0005 ~0.25,Cu:0.005 ~0.75,Nb:0.0005 ~0.3、Si:0.005 ~0.75,Mn:0.005 ~UN:0.0001 ~0.03，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。
2.根据权利要求1所述的沉淀硬化型马氏体系不锈钢，其特征在于，由式(I)算出的值为0.1以上， [Cr]/([Cr]+[Fe])式(I) 其中，式(I)中的各括号表示各括号内的元素的含有率，含有率的单位为质量％。
3.根据权利要求1或2所述的沉淀硬化型马氏体系不锈钢，其特征在于，由式(2)算出的值为12.5以上，
[Cr]+3.3 [Mo] 式(2) 其中，式(2)中的各括号表示各括号内的元素的含有率，含有率的单位为质量％。
4.根据权利要求1或2所述的沉淀硬化型马氏体系不锈钢，其特征在于，由式(3)算出的值为100以上，
195-1200 ([C] -0.006) -23 ([Cr]-12) -40 ([Ni]-9)-16 ([Mo] +0.5 [W]-1.5) -3.75 [Al]-34 [Ti]-20 [Cu] 式(3) 其中，式(3)中的各括号表示各括号内的元素的含有率，含有率的单位为质量％。
5.根据权利要求1或2所述的沉淀硬化型马氏体系不锈钢，其特征在于，在940~980°C的温度下进行固溶处理，在4`90~580°C的温度下实施时效处理。
6.一种汽轮机动叶片，其特征在于，其是使用权利要求1或2所述的沉淀硬化型马氏体系不锈钢而构成的。
7.一种汽轮机，其特征在于，在至少一个涡轮级中具备权利要求6所述的动叶片。
【文档编号】C22C38/50GK103526122SQ201310276087
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月3日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】高久历, 大西春树, 山田政之, 村田赖治, 今井健一 申请人:株式会社东芝