地热发电用涡轮转子材料及其制造方法
【专利摘要】本发明是一种含有C：0.20～0.30质量％、Si：0.01～0.2质量％、Mn：0.5～1.5质量％、Cr：2.0～3.5质量％、V：大于0.15质量％且0.35质量％以下和规定量的Ni、Mo，余部由Fe及不可避的杂质构成的地热发电用涡轮转子材料，所述Ni为大于0且0.25质量％以下，所述Mo为1.05～1.5质量％。由此，可以提供机体的直径即使为1600mm以上也可淬火，即使在硫化氢环境下，也难以产生应力腐蚀裂纹的地热发电用的涡轮转子材料及其制造方法。
【专利说明】
地热发电用涡轮转子材料及其制造方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及在硫化氢等腐蚀环境下使用的涡轮转子（夕一 t'' ^ 口一夕）材料，特别 是涉及1600mm以上的大直径的地热发电用涡轮转子材料及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 作为地热发电用涡轮转子材料，如专利文献1~4所示，使用含有Cr、Mo的低合金钢 (一般称为"lCr-lMo锕'）。该lCr-lMo钢即使直径至1500mm，也能充分进行淬火，且还具有需 要的韧性。
[0003] 但是，近年来，伴随着设备的大型化，认为需要直径为1600mm以上的地热发电用涡 轮转子材料。使用现有的lCr-lMo钢时，具有因直径大而冷却速度大幅降低，伴随着铁素体 的析出，韧性降低这种问题。
[0004] 另一方面，作为火力发电用的涡轮转子材料，如专利文献5、6所示，使用使Cr量增 加的通称2.25Cr-lMo钢。使用该涡轮转子材料时，即使是具有1900mm的直径的涡轮转子材 料，也可以充分淬火至内部。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1:(日本)特开昭62-290849号公报
[0008] 专利文献2:(日本)特开昭63-35759号公报
[0009] 专利文献3:(日本)特开昭60-5853号公报
[0010] 专利文献4:(日本)特开昭52-30716号公报
[0011] 专利文献5:(日本)特开2001-221003号公报
[0012] 专利文献6:(日本)特开2002-339036号公报
【发明内容】
[0013] 发明要解决的课题
[0014] 然而，地热发电用涡轮转子材料的使用温度最大为250°C左右，火力发电用的涡轮 转子材料所要求的高温蠕变强度不是必须的必要条件。另一方面，因地热发电用涡轮转子 材料在硫化氢环境下使用，所以应力腐蚀裂纹(SCC)成为问题。
[0015] 依据NACE(美国腐蚀技术者协会）的TM0177-Method B试验法，通过添加了0.5质 量％醋酸的饱和H2S水溶液中的3点弯曲试验评价了上述的地热发电用涡轮转子材料的现 有钢、即lCr-lMo钢、火力发电用涡轮转子材料的现有钢、即2.25Cr-lMo钢的耐SCC性。在试 验中，使用67.3 X 4.57 X 1.52mm的试验片，在0.33σ~〇. 70σ的范围负荷应力，在饱和H2S水 溶液中浸渍720小时，评价断裂的有无。表1表示通过由lCr-lMo钢、2.25Cr-lMo钢构成的试 验片的试验结果。
[0016][表 1]
[0018] 在此，σ是试验材料的0.2%屈服强度。另外，表中的?表示未断裂，X表示断裂。可 知2.25Cr-lMo钢与lCr-lMo钢相比，耐SCC性差。即，2.25Cr-lMo钢的机体直径为1600mm以上 也可以确保中心部的淬火性，但与1 Cr-lMo钢相比耐SCC性差。
[0019] 本发明是鉴于该情况而完成的，其目的在于，提供机体（胴部）的直径即使为 1600mm以上也可以确保淬火性，在硫化氢环境下也难以产生应力腐蚀裂纹的地热发电用涡 轮转子材及其制造方法。
[0020] 用于解决课题的方案
[0021] 遵照所述目的的第1发明的地热发电用涡轮转子材料含有C:0.20~0.30质量％、 51:0.01~0.2质量％、]?11 :0.5~1.5质量％、0:2.0~3.5质量％、￥:大于0.15质量％且0.35 质量％以下和规定量的Ni、Mo,余部由Fe及不可避的杂质构成，其中，Ni为大于0且0.25质 量％以下，Mo为1.05~1.5质量％。
[0022] 在第1发明的地热发电用涡轮转子材料中，优选在金属组织中无铁素体，为贝氏体 均匀组织，由此可以确保需要的强度及韧性。
[0023] 在第1发明的地热发电用涡轮转子材料中，优选具备直径至少为1600_，室温下的 0.2 %屈服强度为685MPa以上，室温下的夏氏冲击吸收能量为20J以上，且延性-脆性转变温 度为80°C以下的机体。另外，地热发电用涡轮转子材料因需要形成贝氏体均匀组织，所以直 径的上限可为2200mm(更优选为2000mm)。
[0024] 对于第1发明的地热发电用涡轮转子材料的合金组成进行说明。
[0025] C:0.20 ~0.30 质量 ％
[0026] C具有提高热处理时的淬火性，并且与碳化物形成元素形成碳化物，提高材料强度 的效果。为了得到足够的材料强度，至少需要添加0.20质量％。另一方面，C量超过0.30质 量％时，延性-脆性转变温度上升，韧性降低。
[0027] Si:0.01 ~0.2 质量 ％
[0028] Si作为脱酸材料而添加，低于0.01质量％时其效果不充分。另一方面，大量添加时 脱酸产生的生成物即Si〇2残留于钢液中，钢的洁净度降低，韧性降低。因此，Si的含量限定 在0.01~0.2质量％的范围。
[0029] Μη:0·5 ~1.5 质量 ％
[0030] Μη作为钢液的脱酸材料也是有效的。另外，对于提高淬火性，抑制淬火冷却时铁素 体析出是有效的。因此，至少需要添加〇. 5质量％。另一方面，Μη超过1.5质量％时，具有促进 回火脆化的作用，降低韧性。因此，Μη的含量为0.5~1.5质量％的范围。
[0031] Ni:大于0且0.25质量％以下
[0032] Ni是对抑制淬火冷却时的铁素体析出有效的元素，一般公知的是过剩含有Ni时， 易产生硫化物应力腐蚀裂纹。因此，发明人等对作为地热发电用涡轮转子材料的硫化物应 力腐蚀裂纹性进行了种种研究，结果认识到，尽可能减少Ni的含量，使其为0.25质量％以下 的范围，可以降少硫化物应力腐蚀裂纹性。另外，即使减少Ni量，通过含有2.0质量％以上 Cr，含有1.05质量％以上Mo,也能够防止铁素体的析出，可以得到贝氏体均匀组织。
[0033] Cr:2.0 ~3.5 质量 ％
[0034] Cr是对改善淬火性，抑制淬火冷却时的铁素体析出有效的元素。另外，对形成碳化 物提高材料强度是有效的，还是对提高耐腐蚀性有效的元素。为了得到充分的淬火性、材料 强度、耐腐蚀性，至少需要添加2.0质量％。另一方面，Cr超过3.5质量％时，韧性降低。因此， Cr的含量为2.0~3.5质量％的范围。
[0035] Mo: 1.05~1.5质量 ％
[0036] Mo与Cr同样地改善淬火性，另外，对改善回火脆化、形成碳化物提高材料强度是有 效的。因此，至少需要添加1.05质量％，但大量添加时，其效果饱和，降低韧性。因此，Mo的含 量为1.05~1.5质量％的范围。
[0037] V:大于0.15质量％且0.35质量％以下
[0038] V是对与C使微细的碳化物在晶粒内大量析出提高材料强度有效的元素。为了得到 上述的效果，V需要大于0.15质量％。另一方面，V超过0.35质量％时，韧性降低。因此，V的含 量为大于0.15质量％且为0.35质量％以下的范围。
[0039] 接着，对作为地热发电用涡轮转子材料的机械性质进行说明。作为目标，对于调质 后的地热发电用涡轮转子材料的中心部而言，使室温的0.2%屈服强度为685MPa以上。
[0040] 地热发电中，蒸气温度为250°C以下，需要延性-脆性(断面)转变温度足够低。作为 目标，使延性-脆性转变温度为80°C以下，使室温的夏氏冲击吸收能量为20J以上。
[0041] 另外，第2发明的地热发电用涡轮转子材料的制造方法是用于抑制具有第1发明的 地热发电用涡轮转子材料的成分的钢锭的淬火冷却时的铁素体析出，形成贝氏体均匀组 织，得到目标的机械特性的适宜的制造方法。以下，对该地热发电用涡轮转子材料(低合金 钢)的制造方法进行说明。
[0042] 就本低合金钢的制造方法而言，首先，从将成为锻钢部件的合金原料经过电炉、真 空感应熔化炉等熔化炉或进一步的真空碳脱氧法或电渣再溶解法等精炼成目标的成分组 成的钢液制作适于自由锻造用等的形状的钢锭。对于凝固后的钢锭，通过高温度的热和苛 刻的锻造压力（热锻)压接钢锭内部的空隙，并且改善粗大化的钢组织，实施成型加工而制 成锻钢部件。接着，进行将该部件加热至900~950 °C、在800~500 °C间以1.0°C/分钟以上的 冷却速度冷却的淬火处理，接着进行再加热而保持在610~690°C后进行冷却的回火处理。
[0043] 淬火处理在未将其温度加热到900°C以上时，因未进行碳化物的固溶，所以淬火性 降低，且因冷却时的铁素体析出而韧性降低。另一方面，加热超过950°C时，晶粒粗大化韧性 降低。因此，淬火温度优选为900~950°C。另外，大型的锻钢部件之中表层部和中心部成为 均热的时间不同，因此，加热时间可以设定在与锻钢部件的大小对应的时间。在淬火时的冷 却时，通过增大冷却速度，可以抑制铁素体的析出，提高韧性，但在大型的锻钢部件中，中心 部的冷却速度大幅降低。该低合金钢是假定为大型的锻钢部件的中心部的成分，800~500 °C间的冷却速度如果为1.0°C/分钟以上，则没有铁素体的析出，不会降低韧性。只要满足该 冷却条件，则什么样的冷却方法都可以采用。
[0044] 就回火处理而言，其温度为低于610°C的低温度时，其效果不充分，得不到目标的 韧性，超过690°C的过剩的温度时，碳化物粗大化得不到目标的材料强度。因此，回火温度优 选610~690°C。另外，在大型的锻钢部件中，表层部和中心部成为均热的时间不同，因此加 热时间可以设定在与锻钢部件的大小对应的时间。
[0045] 发明效果
[0046] 在本发明的地热发电用涡轮转子材料及其制造方法中，在含2.0~3.5质量％Cr的 低合金钢中，使Ni的量为0.25质量％以下，使Mo为1.05~1.5质量％，因此，涡轮转子材料的 机体的直径即使为1600mm以上(进一步为1900mm以上），也能够防止铁素体产生，淬火至内 部，进而，即使是硫化氢环境下，耐SCC性也强。
[0047]另外，由于0.2%屈服强度(耐力）为685MPa以上，室温下的夏氏冲击吸收能量可为 20J以上，且延性-脆性转变温度可为80°C以下，所以成为具有优异的韧性的地热发电用涡 轮转子材料。
【具体实施方式】
[0048]以下，说明本发明一个实施例的地热发电用涡轮转子材料及其制造方法。用于本 实施例的地热发电用涡轮转子材料的低合金钢含有C:0.20~0.30质量％、Si :0.01~0.2质 量％111:0.5~1.5质量％、0:2.0~3.5质量％、￥ :大于0.15质量％且0.35质量％以下和规 定量的Ni、Mo,余部由Fe及不可避的杂质构成，Ni为大于0且0.25质量％以下，Mo为1.05~ 1.50质量％。通过电炉或其它熔化炉溶炼具有该成分的钢锭(铸块）。该溶炼方法没有特别 限定。对所得的钢锭(低合金钢)实施锻造等热加工。热加工后，对热加工材料进行正火处 理，谋求组织的均匀化。正火例如可以通过在炉温1000 °C~1100 °C下进行加热，其后炉冷而 进行。
[0049] 之后，进行淬火处理和回火处理，淬火例如可以通过加热到900~950°C，进行喷水 冷却（在800~500°C间1.0°C/分钟以上的冷却速度)而进行。淬火后，例如可以进行加热到 610~690°C后进行冷却的回火。作为回火时间，根据材料的大小、形状等，设定适宜的时间。
[0050] 如上制造的低合金钢通过上述热处理，可以具备室温的0.2%屈服强度为685Mpa 以上，室温下的夏氏冲击吸收能量为20J以上，且延性-脆性转变温度为80°C以下的机体(直 径为1600mm以上）。在此，低合金钢在金属组织中没有铁素体而为贝氏体均匀组织。
[0051 ] 实验例
[0052]接着，对本发明的实验例进行说明。在真空感应熔化炉中溶炼50kg试验钢锭，在 1000°C以上进行热锻，制造假定为地热发电用涡轮转子材料的锻造材料，实施了淬火、回火 处理。淬火处理为加热至920 °C后，假定机体直径1900mm，在800~500 °C间以1.0 °C /分钟冷 却。回火处理在610~690 °C的范围设定。对通过上述所得的试验材料实施拉伸试验、冲击试 验、微组织观察，评价了 0.2%屈服强度、室温的夏氏冲击吸收能量、延性-脆性转变温度、铁 素体析出的有无。表2表示结果。试验序号1~5表示本发明钢的实验例，6~18表示比较钢的 实验例。
[0053][表 2]
[0055]本发明的实验例的钢(No. 1~5)，未确认到铁素体的析出，充分满足0.2%屈服强 度、室温的夏氏冲击吸收能量、延性-脆性转变温度的目标。另一方面，比较例的钢(No.6、8 ~10、12、14~18)虽然没有铁素体的析出，可以确保淬火性，但不能满足0.2%屈服强度、室 温的夏氏冲击吸收能量、延性-脆性转变温度的任一个或二个目标。另外，比较例的钢 (No. 11、13)，铁素体析出，降低了0.2%屈服强度、室温的夏氏冲击吸收能量，提高了延性-脆性转变温度。即，本发明钢是目标的证实了没有铁素体的析出，强度及韧性均优异的钢 质。
[0056] 接着，依据NACE(美国腐蚀技术者协会）的TM0177-Method B试验法，通过添加了 0.5质量％醋酸的饱和H2S水溶液中的3点弯曲试验评价了耐SCC性。试验中使用67.3 X 4.57 X 1.52mm的试验片，在0.33σ~〇. 70σ的范围负荷应力，在饱和H2S水溶液中浸渍720小时，评 价了断裂的有无。表3表示由本发明钢(No. 1)、比较例的钢(No.7、13)构成的试验片的试验 结果。在此，σ为试验材料的0.2%屈服强度。另外，表中的?表示未断裂，X表示断裂。
[0057][表 3]
[0059] 本发明的实验例的钢(No. 1)显示了相较于比较例的钢(No. 7)更好的耐SCC性。另 一方面，比较例的钢(No. 13)显示了与本发明的实验例的钢同等的耐SCC性，强度及韧性不 满足目标。即，证实本发明的实验例的钢全部满足需要的特性，作为大型的地热发电用涡轮 转子材料适合。
[0060] 接着，对于对强度及韧性造成影响的淬火、回火条件的影响进行了调查的实验例 进行叙述。在真空感应熔化炉中溶炼具有试验材料No. 1的成分的50kg试验钢锭，在1000 °C 以上进行热锻，制造假定为地热发电用涡轮转子材料的锻造材料，实施了表4表示的淬火、 回火处理。淬火的冷却速度假定机体直径为1900mm在800~500°C间以1.0°C/分钟冷却。对 于上述得到的试验材料实施拉伸试验、冲击试验、微组织观察、结晶粒度测定，评价了 0.2% 屈服强度、室温的夏氏冲击吸收能量、延性-脆性转变温度、铁素体析出的有无、结晶粒度。
[0061][表 4]
[0063] 如表4所示，淬火温度上升至1000 °C时，与920 °C、950 °C相比，晶粒粗大化，室温的 夏氏冲击吸收能量降低，提高了延性-脆性转变温度。另外，回火温度在600°C下，室温的夏 氏冲击吸收能量、延性-脆性转变温度不满足目标，在700°C下，不能满足0.2%屈服强度的 目标。另一方面，淬火温度为920°C、950°C，在635°C、660°C实施回火的试验材料全部满足 0.2%屈服强度、室温的夏氏冲击吸收能量、延性-脆性转变温度的目标，比在其它的热处理 条件下实施的试验材料更优异。即，证实通过选定适当的热处理条件，可得到优异的强度及 韧性。
[0064]本发明不限定于在上述实施例、实验例中说明了的范围，对于未变更本发明的要 旨的地热发电用涡轮转子材料及其制造方法也均适用。
[0065] 产业上的可利用性
[0066]本发明的地热发电用涡轮转子材料及其制造方法即使机体的直径为1600mm以上， 也可以淬火，因此作为在大型的地热发电厂使用的转子最适合。另外，因对应力腐蚀裂纹也 具有充分的耐性，所以不仅仅是地热发电用，而且作为同样环境的其它的转子也可以使用。
【主权项】
1. 一种地热发电用涡轮转子材料，其特征在于，含有C :0.20~0.30质量％、Si :0.01~ 0.2质量％、Μη:0·5~1.5质量％、Cr:2.0~3.5质量％、V:大于0.15质量％且0.35质量％以 下和规定量的Ni、Mo，余部由Fe及不可避的杂质构成， 所述Ni为大于0且0.25质量％以下，所述Mo为1.05~1.5质量％。2. 根据权利要求1所述的地热发电用涡轮转子材料，其特征在于， 在金属组织中无铁素体，是贝氏体均匀组织。3. 根据权利要求1或2所述的地热发电用涡轮转子材料，其特征在于， 具备直径至少为1600mm，室温下的0.2%屈服强度为685MPa以上，室温下的夏氏冲击吸 收能量为20J以上且延性-脆性转变温度为80°C以下的机体。4. 一种地热发电用涡轮转子材料的制造方法，其特征在于， 将具有权利要求1~3中任一项所述的地热发电用涡轮转子材料的成分的钢锭热锻后， 进行加热到900~950°C、在800~500°C间以1.0°C/分钟以上的冷却速度冷却的淬火处理， 接着进行再加热而保持为610~690°C后进行冷却的回火处理。
【文档编号】F01D5/28GK105940135SQ201580006433
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年4月16日
【发明人】八寻由典, 分岛泰
【申请人】日本铸锻钢株式会社