沉淀硬化型馬氏體不銹鋼和使用其的汽輪機長葉片的制作方法
【專利摘要】本發明提供具備優異的機械特性和耐腐蝕性的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼和使用其的汽輪機長葉片。沉淀硬化型馬氏體不銹鋼的特征在于，以質量比計，含有0.1%以下的C、0.1%以下的N、10～15%的Cr、10～15%的Ni、0.5～2.5%的Mo、1.0～3.0%的Al、1.0%以下的Si和1.0%以下的Mn，其余部分為Fe和不可避免的雜質。汽輪機長葉片由該沉淀硬化型馬氏體不銹鋼構成。
【專利說明】沉淀硬化型馬氏體不銹鋼和使用其的汽輪機長葉片
【技術領域】
[0001]本發明涉及具備優異的組織穩定性、機械特性和耐腐蝕性的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼和使用其的汽輪機長葉片。
【背景技術】
[0002]近年來，從節能(例如，節約化石燃料)和防止全球氣候變暖(例如，抑制CO2氣體的產生量)的觀點出發，希望提高火力發電站的效率(例如，提高汽輪機的效率)。作為使汽輪機的效率提高的有效手段之一，可以使汽輪機長葉片變長變大。另外，汽輪機長葉片變長變大，還能夠期待由汽缸數減少帶來的設備建設期間縮短和由此帶來的成本削減的次要的效果。
[0003]為了提高汽輪機的可靠性，要求機械性質和耐腐蝕性兩方面優異的長葉片材料。沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，Cr添加量多，C添加量少，因此耐腐蝕性優異，但是強度與韌性的平衡差(例如，參照專利文獻I)。現有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2005-194626號公報
【發明內容】

[0006]發明要解決的技術問題
[0007]本發明的目的在于提供具備優異的機械特性和耐腐蝕性的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼。
[0008]用于解決技術問題的手段
[0009]沉淀硬化型馬氏體不銹鋼的特征在于，以質量比計，含有0.1%以下的C、0.1%以下的 N、10 ~15% 的 Cr、10 ~15% 的 N1、0.5 ~2.5% 的 Mo、1.0 ~3.0% 的 Al、1.0% 以下的 Si和1.0%以下的Mn，其余部分為Fe和不可避免的雜質。
[0010]發明效果
[0011]根據本發明，能提供具備優異的組織穩定性、機械特性和耐腐蝕性的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為表示本發明的汽輪機長葉片的一個例子的立體示意圖。
[0013]圖2為表示本發明的低壓級轉子的一個例子的示意圖。
[0014]圖3為表示本發明的低壓級汽輪機的一個例子的示意圖。
[0015]圖4為表示本發明的發電站的一個例子的示意圖。
【具體實施方式】
[0016]以下，對本發明的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼中含有的成分元素的作用和添加量的規定進行說明。
[0017]在以下的說明中，成分元素的添加量以質量比(％)表示。
[0018]碳(C)形成鉻碳化物，存在由碳化物的過量沉淀引起的韌性降低、由晶界附近的Cr濃度降低引起的耐腐蝕性惡化等問題。另外，C使馬氏體相變結束溫度點顯著降低。因此，C的量需要抑制，優選為0.1%以下，更優選為0.05%以下。
[0019]氮(N)形成TiN和/或AlN使疲勞強度降低，對韌性也會造成不良影響。因此，N的量需要抑制，優選為0.1%以下，更優選為0.05%以下。
[0020]鉻(Cr)為在表面形成鈍化膜而有助于提高耐腐蝕性的元素。通過使添加的下限為10.0%,能夠充分確保耐腐蝕性。另一方面，當過量添加Cr時,有害相沉淀,使機械性質顯著惡化，因此，使上限為15.0%。由以上可知，Cr的添加量需要為10.0~15.0%。優選為
11.0~14.0%，特別優選為12.0~13.0%。
[0021]鎳(Ni)為抑制5鐵素體的形成，并且通過N1-Al化合物的沉淀硬化有助于提高強度的元素。另外，也改善淬硬性、韌性。為了充分得到上述的效果，需要使添加的下限為
10.0%。另一方面，當添加量超過15.0%時，有害相沉淀，得不到作為目標的機械特性。從以上方面出發，Ni的添加量需要為10.0~15.0%。更優選為11.0~14.0%，特別優選為
12.0 ~13.0%。
[0022]鑰(Mo)為提高 耐腐蝕性的元素。為了得到目標的耐腐蝕性，至少需要添加0.5%，另一方面，當添加量超過2.5%時，助長有害相的形成，反而使特性惡化。從以上方面出發，Mo的添加量需要為0.5~2.5%，更優選為1.0~2.0%，特別優選為1.25~1.75%。
[0023]鋁(Al)為形成N1-Al化合物有助于沉淀硬化的元素。為了充分顯現出沉淀硬化，至少需要添加1.0%以上。當添加量超過3.0%時，由于N1-Al化合物的過量沉淀和有害相的形成，引起機械性質降低。從以上方面出發，Al的添加量需要為1.0~3.0%。更優選為1.5~2.5%，特別優選為1.75~2.25%。
[0024]硅(Si)為脫氧材料，優選為1.0%以下。這是因為:當超過1.0%時，5鐵素體的沉淀成為問題。更優選為0.5%以下，特別優選為0.25%以下。當應用真空碳脫氧法和電渣重熔法時，能夠將Si的添加省去，在該情況下，優選不添加Si。
[0025]錳(Mn)作為脫氧劑和脫硫劑添加，但是，當超過1.0%時，有害相過量地生成，不能得到需要的強度，因此，需要為1.0%以下。在利用真空感應熔解(VM)、真空電弧重熔(VAR)的方法熔解的情況下，不需要添加Mn，更優選為0.5%以下，特別優選為0.25%以下。
[0026]作為其他元素，鎢(W)與Mo同樣具有提高耐腐蝕性的效果。W通過與Mo的復合添加能夠使該效果進一步提高。在該情況下，Mo與W的添加量的合計，為了防止有害相的沉淀，需要為與單獨添加Mo相同的量。
[0027]另外，鈮(Nb)形成碳化物有助于提高強度，但是使制造性惡化。因此，在添加Nb的情況下，Nb的添加量需要為1.0%以下。另外，也能夠將Nb置換為釩(V)。在復合添加Nb、V的情況下，添加量的合計需要為與單獨添加Nb相同的量。這些元素的添加不是必須的，但是會使沉淀硬化更顯著。
[0028]本發明中的不可避免的雜質，是指:原料中本來含有的、或者由于在制造過程中混入等而包含在本發明中的成分，不是有意添加的成分。作為不可避免的雜質，有P、S、Sb、Sn和As，本發明中含有其中的至少一種。[0029]另外，P和S的降低，能夠不損害拉伸特性而提高韌性，因此優選盡可能降低。從提高韌性的觀點出發，優選P:0.5%以下、S:0.5%以下。特別優選P:0.1%以下、S:0.1%以下。
[0030]通過降低As、Sb和Sn能夠改善韌性。因此，優選使上述元素盡可能降低，優選As:
0.1%以下、Sb:0.1%以下、Sn:0.1%以下。特別優選As:0.05%以下、Sb:0.05%以下、Sn:
0.05%以下。
[0031]接著，對本發明的熱處理進行說明。
[0032]在本發明中，需要進行在800~1050°C、優選850~1000°C加熱保持后驟冷的固溶處理。本發明中的固溶處理，是指用于在將與沉淀物的形成相關的Al、Ti等成分熔入組織中的同時得到馬氏體組織的熱處理。馬氏體組織為鋼鐵的基質的一種，為強度與韌性的平衡優異的組織。在固溶處理之后，需要進行在450~650°C加熱保持后緩慢冷卻的時效處理。本發明中的時效處理，是指在實施固溶處理之后進行的用于使N1-Al化合物等在組織中微細沉淀而得到優異的強度的熱處理。
[0033]另外，在想要使殘留奧氏體減少的情況下，可以進行冷處理(subzerotreatment)。冷處理需要使用干冰和異戊烷等有機溶劑，在_70°C以下至少保持4小時以上，在大氣中升溫至室溫。
[0034]對將本發明應用于汽輪機長葉片進行說明。成形加工、矯正的作業也能夠在時效處理后進行，但是，當在N 1-Al化合物等沒有沉淀的緊接著固溶處理之后進行這些作業時，加工性良好，因此能夠期待高的作業效率。
[0035]應用本發明的汽輪機長葉片，能夠通過TIG焊接在葉片前端部接合Co基合金的鎢鉻鈷合金。這是用于保護汽輪機長葉片不受腐蝕的手段，該腐蝕是由于結露的高速的蒸汽碰撞而導致葉片損傷的腐蝕。作為鎢鉻鈷合金的其他安裝手段，有銀焊、利用等離子體轉移電弧、激光進行的堆焊等。作為用于保護汽輪機長葉片不受腐蝕的其他手段，也能夠利用氮化鈦涂層等進行表面改性。另外，也能夠反復進行多次將葉片前端部表面加熱到Ac3相變點以上并利用空冷降低至室溫的熱處理，使結晶粒度6更微細，在其后的葉片整體的時效處理中僅使葉片前端部表面為高硬度從而具備耐腐蝕性。本發明具有某種程度的耐腐蝕性，因此，在腐蝕不嚴酷的狀態下，可以省略上述的腐蝕對策。
[0036]圖1為應用本發明的汽輪機長葉片(符號10)。長葉片包括接受蒸汽的葉片輪廓部(符號I)、將葉片嵌入轉子的葉片根部(符號2)、用于通過扭轉與鄰接的葉片一體化的短軸(stub)(符號4)、和連續圍帶(continuous cover)(符號5)。該汽輪機長葉片是葉片根部為反向圣誕樹形狀的軸向進氣型(axial entry type)。另外,作為腐蝕防護層(erosionshield)(符號3)的一個例子，接合有鎢鉻鈷合金板。作為鎢鉻鈷合金的其他安裝手段，有銀焊、利用等離子體轉移電弧、激光進行的堆焊等。也能夠利用氮化鈦涂層等進行表面改性。另外，本發明具有某種程度的耐腐蝕性，因此，在腐蝕不嚴酷的狀況下，可以省略上述的腐蝕對策。
[0037]圖2表示應用本發明的長葉片的低壓級轉子(符號20)。該低壓級轉子為雙流結構，長葉片左右對稱地分多段設置在葉片嵌入部(符號21)。上述的長葉片設置在最終段。
[0038]圖3表示應用本發明的低壓級轉子的低壓級汽輪機(符號30)。汽輪機長葉片(符號31)通過接受由噴嘴(符號32)引導的蒸汽而旋轉。轉子由軸承(符號33)支撐。[0039]圖4為應用本發明的低壓級汽輪機的發電站(符號40)。在鍋爐(符號41)中產生的高溫高壓蒸汽在高壓級汽輪機(符號42)中做功后，在鍋爐中再次被加熱。再次被加熱后的蒸汽在中壓級汽輪機(符號43)中做功后，進一步在低壓級汽輪機(符號44)中做功。汽輪機中產生的功，在發電機(符號45)中被轉換為電力。從低壓級汽輪機出來的蒸汽，被導入凝汽器(符號46)。
[0040]以下，對實施例進行說明。
[0041]實施例
[0042][實施例1]
[0043](試樣制作)
[0044]為了對本發明的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼的化學組成與拉伸強度、0.02%屈服點、夏比沖擊吸收能量、點蝕電位、微觀組織的相關性進行評價，制作試樣。將各試樣的化學組成不于表1。
[0045]首先，使用高頻真空熔解爐(5.0X10_3Pa以下、1600°C以上)將原料熔解，使得成為表1所示的組成。對得到的鑄塊，使用壓鍛機和錘鍛機進行熱鍛，成形為寬度X厚度X長度=IOOmmX 30mmX 1000mm的方棒料。接著，將該方棒料切斷加工成寬度X厚度X長度=50mm X 30mm X 120mm,作為不鎊鋼原材料。
[0046]接著，對各不銹鋼原材料，使用箱式電爐實施各種熱處理。對發明合金I~13，作為固溶熱處理，在925°C保持I小時后浸潰在室溫的水中進行水驟冷。接著，作為時效熱處理，在450~650°C的任意溫度保持2小時后，取出到室溫的空氣中進行空冷。
[0047]對上述得到的各試樣，分別實施拉伸強度、夏比沖擊吸收能量、點蝕電位、微觀組織觀察的評價試驗。對各評價試驗的`概要進行說明。(試驗方法)
[0048]拉伸試驗，從上述得到的各試樣準備試驗片(評點間距離30mm、外徑6mm)，按照JIS Z2241在室溫進行。拉伸強度、0.02%屈服點的判定基準，分別將1500MPa以上、1000MPa以上評價為“合格”，將小于其值的評價為“不合格”。另外，伸長率、斷面收縮率分別將10%以上、30%以上評價為“合格”，將小于其值的評價為“不合格”。
[0049]夏比沖擊吸收能量的測定，從上述得到的各試樣準備具有2mmV形凹口的試驗片，按照JIS Z2242在室溫進行夏比沖擊試驗。夏比沖擊吸收能量的判定基準，將20J以上評價為“合格”，將小于其值的評價為“不合格”。
[0050]點蝕電位的評價，從上述得到的各試樣準備板狀的試驗片(長度15mm、寬度15mm、厚度3mm)，用絕緣體覆蓋，使得測定面的面積為1.0cm2。在試驗液為3.0%NaCl溶液、溶液的溫度為30°C、掃描速度為20mV/min的條件下實施評價。點蝕電位的判定基準，將150mV以上評價為“合格”，將小于其值的評價為“不合格”。
[0051]微觀組織的判定基準，將具有8鐵素體、殘留奧氏體的沉淀量以面積率計分別為
1.0%以下、10%以下的馬氏體組織的評價為“合格”。將其以外的評價為“不合格”。8鐵素體沉淀量的測定，按照JIS G0555中記載的點算法進行。殘留奧氏體沉淀量的測定通過X射線衍射進行。(試驗結果)
[0052]本發明的發明合金I~13，拉伸強度、0.02%屈服點、伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能量的機械特性均合格。另外，點蝕電位也得到良好的結果。另外，金屬組織中的S鐵素體相和殘留奧氏體在目標范圍內，確認形成了馬氏體組織。[0053]比較合金I~12均沒有滿足各特性的全部目標。比較合金I~8，研究了 Cr、N1、Mo和Al等主要成分的影響，其中，比較合金5為Al的添加量高的試樣，拉伸強度、0.02%屈服點高，但是伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能量顯著低于目標。這可認為是因為強化相的沉淀量過量。另一方面，比較合金6，Al的添加量低，拉伸強度、0.02%屈服點低于目標，組織中大量沉淀有殘留奧氏體。另外，比較合金9~12研究了雜質元素的影響，比較合金9為C的添加量高的試樣，拉伸強度、0.02%屈服點、伸長率和沖擊吸收能量低于目標。另外，點蝕電位也低于目標。這可認為是因為:由于Cr碳化物的形成，晶界附近的Cr濃度降低，耐腐蝕性惡化。組織中大量沉淀有殘留奧氏體。比較合金12為N的添加量高的試樣，伸長率、斷面收縮率和沖擊吸收能`量顯著低于目標，組織中大量沉淀有殘留奧氏體。
【權利要求】
1.一種沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其特征在于:以質量比計，含有0.1%以下的C、0.1%以下的N、10~15%的Cr、10~15%的N1、0.5~2.5%的Mo、1.0~3.0%的Al、1.0%以下的Si和1.0%以下的Mn，其余部分為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其特征在于: 以質量比計，還含有1.0%以下的Nb和V中的至少一種。
3.如權利要求1或2所述的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其特征在于: 還含有W，Mo與W的合計量為與單獨添加Mo相同的量。
4.如權利要求1~3中任一項所述的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其特征在于: 所述不可避免的雜質為選自P、S、Sb、Sn和As中的至少I種。
5.如權利要求1~4中任一項所述的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其特征在于: 固溶處理的溫度范圍為800~1050°C，時效處理的溫度范圍為450~650°C。
6.一種汽輪機長葉片，其特征在于: 使用權利要求1~5中任一項所述的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼。
7.如權利要求6所述的汽輪機長葉片，其特征在于: 葉片前端部接合有Co基合金的鎢鉻鈷合金。
8.一種汽輪機轉子，其特征在于: 具備權利要求7所述的汽輪機長葉片。
9.一種汽輪機，其特征在于: 具備權利要求8所述的汽輪機轉子。
【文檔編號】C22C38/44GK103774048SQ201310487289
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2012年10月17日
【發明者】及川慎司, 依田秀夫, 新井將彥, 土井裕之 申請人:株式會社日立制作所