(57)【要約】【課題】  風力タービン部品用のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄及び部品の製造方法を提供する。【解決手段】  風力タービン用の部品は、約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含有するオーステンパ球状黒鉛鋳鉄品である。部品は、好ましくは、３トン超の質量を有する駆動シャフト又はギアボックス部品である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０５重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含有するオーステンパ球状黒鉛鋳鉄品を含む部品であって、約３トン超の質量を有する部品。
【請求項２】
当該部品が約６トン超の質量を有する、請求項１記載の部品。
【請求項３】
当該部品が大型ギアボックス部品を含む、請求項１又は請求項２記載の部品。
【請求項４】
前記オーステンパ球状黒鉛鋳鉄がアシキュラーフェライトとオーステナイトを含有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の部品。
【請求項５】
部品の製造方法であって、
約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含有するダクタイル鉄材料を溶解するステップと、
部品を鋳造するステップと、
上記部品をオーステナイト化するステップと、
上記部品を焼入するステップと、
上記部品をオーステンパ処理するステップと
を含む方法。
【請求項６】
前記焼入が、約２３０℃〜約４００℃の温度に維持された媒質中に部品を浸漬することを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記部品を機械加工するステップをさらに含む、請求項５又は請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記オーステナイト化が、基地をオーステナイトへと変態させるのに十分な時間、部品を約８１５℃〜約９８５℃の範囲内の温度に維持することを含む、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
風力タービン駆動シャフトであって、
約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含有するオーステンパ球状黒鉛鋳鉄品を含み、約３トン超の質量を有する風力タービン駆動シャフト。
【請求項１０】
前記オーステンパ球状黒鉛鋳鉄がアシキュラーフェライトとオーステナイトを含有する、請求項９記載の風力タービン駆動シャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンシャフト及びギアボックス部品に用いられるオーステンパ球状黒鉛鋳鉄に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンは、ロータから発電機に動力を伝達する主軸（シャフト）を有する。風力タービンの出力が１．５〜２．５メガワット（ＭＷ）から３、４、５及び６ＭＷへと増大するに伴って、風力タービン駆動シャフトのサイズ及び所要特性も増す。さらに、遊星歯車キャリア及びハンドルのようなギアボックス部品の負荷は、従来のダクタイル鋳鉄のグレード（フェライト／パーライトグレード）には高すぎる。３トン超級のギアボックス部品及び駆動シャフトの材料としては、鍛造／硬化鋼が選ばれる。駆動シャフトは、通例、鍛鋼品から機械加工される。シャフトの材料は通常は、臨界的疲労特性を有する焼入焼戻高強度低合金鋼である。その例としては、３４ＣｒＮｉＭｏ６鋼のようなニッケルクロム鋼が挙げられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】HAYRYNEN et al., "The Status of Austempered Cast Irons in 2007," American Foundry Society, 2008, 11 pages
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大きなインゴットから大型鍛鋼風力発電部品を加工するのは手間がかかり、数多くの熱間加工（鍛造）並びに組織を十分に微細化して、後で所望の機械的特性を発現させるための調質熱処理に適したミクロ組織を得るための熱処理が必要とされる。このような徹底した加工処理経路と大規模な機械加工（形状の自由度が限られていることに起因する）のため、ＡＤＩ鋳造品の直接生産に比べて、はるかにコストがかかる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態としては、約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含有するオーステンパ球状黒鉛鋳鉄品である部品が挙げられる。本部品は約３トン超の質量を有する。
【０００６】
本発明の別の実施形態として、部品の製造方法が挙げられる。本方法は、約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含有するダクタイル鉄材料を溶解するステップを含む。部品を鋳造する。部品をオーステナイト化し、オーステンパ温度まで焼入する。部品をオーステンパ処理する。
【０００７】
本発明のさらに別の実施形態としては、約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含有するオーステンパ球状黒鉛鋳鉄品である風力タービン駆動シャフトが挙げられる。本駆動シャフトは約３トン超の質量を有する。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
オーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ）は、大型風力タービンシャフト及びギアボックス部品用の、約３トン超、特に約６トン超の大型ネットシェイプ部品を製造することができる。現在、大型風力タービンシャフト及びギアボックス部品には、鍛造／硬化鋼が用いられている。しかし、３４ＣｒＮｉＭｏ６などの鍛造／硬化鋼は、比較的高価な材料であり、部品、特に複雑な形状の３トン超の部品の製造には複雑なプロセスが必要とされる。サイズが６トン以上になると、鍛造／硬化鋼部品の製造コストはさらにかさみ、世界中での供給元はごく限られている。高強度低合金鋼から大型風力タービンギアボックス部品を製造するのに必要な典型的ステップとして、インゴットの溶解、インゴットからビレットへの分塊圧延（cogging）、ビレットの鍛造、部材の鍛造、焼きならし、オーステナイト化、水中焼入、焼戻、及び大規模で複雑な機械加工が挙げられる。高強度低合金鋼からのギアボックス部品の製造プロセスには、慣用の鋳造プロセスに比べると、数多くのステップ及び大量のエネルギーが必要とされる。こうした高強度低合金鋼から部品を製造するための製造ステップでは、部品が大型化するほど、コストが増大する。
【０００９】
本発明の実施形態で用いられるオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ＡＤＩ、オーステンパダクタイル鋳鉄ともいう。）の主要化学組成は、約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２．０重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含む。主要化学組成は、最も重要な元素を同定するために用いられる。ただし、鉄に「トランプ」エレメントが低濃度で存在しているので、全ての元素が同定されるわけではない。ダクタイル鉄という用語は、「トランプ」エレメントを除いて、組成物の残部を鉄が占めていることを意味する。ＡＤＩは、低密度であるので軽量化でき、制振性能に優れているので騒音を低減でき、鋳／鍛鋼と同等以上の機械的特性を有し、鋳造プロセスが用いられるので製造コストが低く、部品の機械加工が最小限で足りる。ＡＤＩには、オーステンパ処理とよばれる特殊な等温熱処理が必要とされ、この処理は、強度と靭性の優れた組合せを与える。この熱処理後の最終的な機械加工によって導入されるひずみは疲労特性を向上させる。
【００１０】
ＡＤＩの幾つかの特性は、鍛造／硬化鋼には及ばない。ＡＤＩの有する剛性（stiffness）は鍛造／硬化鋼よりも１５〜２０％低く、耐衝撃性も低い。しかし、部材を若干大きくするか及び／又は適切な設計変更によって、こうした短所は軽減される。ＡＤＩを上記で特定した化学組成範囲で鍛造／硬化鋼と比較すると、同程度の特性を有する大型風力タービンシャフト及びギアボックス部品を低コストで得ることができる。
【００１１】
本発明の実施形態で用いるＡＤＩの好ましい主要化学組成は、約３．０〜約３．８重量％の炭素、約１．９〜約２．８重量％のケイ素、約０．３重量％以下のマンガン、約０．８重量％以下の銅、約２重量％以下のニッケル、約０．３重量％以下のモリブデン、約０．０３〜約０．０６重量％のマグネシウム、約０．０５重量％未満のクロム、約０．０２重量％未満のバナジウム及び約０．０１重量％未満の硫黄を含む。上述の通り、トランプエレメント以外は、鉄が残部をなす。
【００１２】
炭化物形成元素（例えば、クロム及びバナジウム）は、ミクロ組織中での大量の炭化物の形成を避けるため、できるだけ低レベルに保つべきである。クロム及びバナジウムはそれぞれ０．０５重量％未満及び０．０２重量％未満とすべきである。
【００１３】
ＡＤＩの基地ミクロ組織は、アシキュラーフェライトと延性高炭素安定化オーステナイトとの微細分散物（いわゆるオースフェライト）を含む。このオースフェライト基地が、ＡＤＩ部品で得ることのできるユニークな特性を担っている。
【００１４】
ＡＤＩ中のオーステナイトは、熱処理時も炭素で熱安定化されており、絶対零度近くの温度でも脆性マルテンサイト変態は起こさない。安定な高炭素オーステナイトは、法線方向の大きな力に付されると、ひずみ誘起変態を起こすことがある。この変態は、ＡＤＩに卓越した耐摩耗性を与えるが、単なる「加工硬化」にとどまらない。流動応力及び硬さが格段に増大することに加えて、このオーステナイトからマルテンサイトへのひずみ誘起変態は、体積の局所的増大を生じるとともに、「変態」領域で高い圧縮応力を生じる。この圧縮応力によって亀裂の発生及び成長が抑制され、熱処理後に機械加工する際又はショットピーニング、研削もしくは圧延のような表面処理に付す際のＡＤＩの疲労特性が大幅に向上する。
【００１５】
オーステナイト化は、基地が完全にオーステナイトに変態するように十分な時間、ダクタイル鋳鉄品を臨界温度を超える温度に維持するプロセスである。オーステナイト化処理の時間及び温度は、鋳放し材料のミクロ組織及び組成に依存する。炭素が均一に分布した単相基地ミクロ組織（オーステナイト）を生じさせるため、オーステナイト化は、最も肉厚の部分の基地が完全にオーステナイトへと変態するのに十分な時間、鋳造品を約８１５〜９８５℃（１５００〜１８００°Ｆ）の温度に維持することを含む。鋼とは異なり、鋳鉄ではオーステナイト化温度の選択によって、オーステナイトの初期炭素含有量が決まるが、この初期炭素含有量は後のオーステンパ処理の際のオースフェライト変態の熱力学的駆動力を決定付ける臨界的因子である。また、オーステナイト化温度の適切な選択は、オースフェライトに完全に変態した生成物中でのオーステナイト相及びフェライト相の分布を確保するのに役立つ。
【００１６】
オーステナイト化温度からマルテンサイト変態温度以上の温度まで直接焼入した直後に、等温保持を実施する。焼入速度は、フェライト／パーライトが形成されないように、十分高くすべきである。最終製品の所望の機械特性に応じて、等温保持（すなわち、オーステンパ処理）の温度は約２３０〜約４００℃（４５０〜７５０°Ｆ）の範囲内であり、その期間は、約２重量％の炭素で安定化されたオーステナイトとアシキュラーフェライトとを含むオースフェライト基地を生じるのに十分な時間とすべきである。オーステンパ処理温度の選択は、オースフェライト生成物の性状及び組成並びにそれに付随する特性の確定に重要な役割を果たす。一般に、オーステンパ処理温度を下げると、炭素安定化オーステナイトの炭素含有量が増加して体積分率が減少し、その分、フェライトの体積分率が増加する。低温でオーステンパ処理したダクタイル鋳鉄は、通例、高温で変態させた鉄に比べて、微細な基地ミクロ組織を有しており、強度が向上している。しかし、前者では、通例、フェライトを犠牲として炭化物含有率が高まり、靭性の低下を招くおそれがある。所望の特性のＡＤＩ部品を開発するため、十分な保持時間でのオーステンパ温度を慎重に選択する必要がある。
【００１７】
一般に、鋳造ＡＤＩ部材はネットシェイプの部品を与え、それ以上の機械加工を必要としないが、ある種の部材では、その形状に応じて、機械加工が必要となることもある。鍛造風力タービンシャフトにおいて中心ボアの形成に必要とされるガンドリル加工又は深穴加工は、上述の鋳造プロセスで中子を用いることによって不要となる。
【００１８】
本明細書における「第１」、「第２」のような用語は順序、数量又は重要性を意味するものではなく、ある構成要素を他の構成要素から区別するために用いられる。単数形で記載したものであっても、数を限定するものではなく、そのものが少なくとも１つ存在することを意味する。数量に用いられる「約」という修飾語は、記載の数値を含み、文脈毎に決まる意味をもつ（例えば、特定の数量の測定に付随する誤差範囲を含む）。本明細書に開示した範囲はすべてその上下限を含み、独立に結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、具体的には約５〜約２０重量％」という範囲は、「約５〜２５重量％」の上下限とその範囲内のすべての中間値を含む）。
【００１９】
本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、本明細書の記載から、構成要素の様々な組合せ、変更及び修正を当業者がなし得ること、並びにそれらが本発明の技術的範囲に属することは明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。