(57)【要約】【課題】  ガスタービンケーシング用途に適したダクタイル鋳鉄の提供。【解決手段】  ダクタイル鉄は、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、０．８〜１．５重量％のモリブデン、約０．０２５〜０．６０重量％のマグネシウム、０．０１重量％未満のイオウ、約０．０〜１．３重量％のニッケル、及び残部の鉄を含む。その鋳造品はガスタービンケーシングに適している。鋳造品の製造方法も提供する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造ダクタイル鉄を含むガスタービンケーシングであって、ダクタイル鉄が、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、約０．８〜１．５重量％のモリブデン、約０．０２５〜０．６０重量％のマグネシウム、約０．０１重量％未満のイオウ、約０．０〜１．３重量％のニッケル、及び残部の鉄を含む、ガスタービンケーシング。
【請求項２】
さらに、各々約０．０５重量％未満のリン、チタン、バナジウム及びスズを含む、請求項１記載のガスタービンケーシング。
【請求項３】
さらに、各々約０．１重量％未満のアルミニウム、銅及びクロムを含む、請求項１又は請求項２記載のガスタービンケーシング。
【請求項４】
さらに、約０．１５重量％未満のマンガンを含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のガスタービンケーシング。
【請求項５】
さらに、約０．０５重量％未満のタングステンを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービンケーシング。
【請求項６】
鋳造ダクタイル鉄を含むガスタービンケーシングであって、ダクタイル鉄が、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、約０．８〜１．５重量％のモリブデン、約０．０２５〜０．６０重量％のマグネシウム、０．０１重量％未満のイオウ、約０．０〜１．３重量％のニッケル、約０．０５重量％未満のリン、約０．０５重量％未満のチタン、約０．０５重量％未満のバナジウム、約０．０５重量％未満のスズ、約０．１０重量％未満のアルミニウム、約０．１０重量％未満の銅、約０．１０重量％未満のクロム、約０．１５重量％未満のマンガン、約０．０５重量％未満のタングステン、及び残部の鉄を含む、ガスタービンケーシング。
【請求項７】
炭素、マグネシウム、イオウ、ニッケル及び残部の鉄を含むダクタイル鉄を溶融して溶湯を形成し、
接種剤及び処理合金を溶湯に添加し、
モリブデンを溶湯に添加し、
溶湯を鋳造して、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、約０．８〜１．５重量％のモリブデン、約０．０２５〜０．６０重量％のマグネシウム、０．０１重量％未満のイオウ、約０．０〜１．３重量％のニッケル及び残部の鉄を含む部品を形成する
ことを含む、部品の製造方法。
【請求項８】
溶湯を鋳造した後、部品を焼鈍することをさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記焼鈍が、
部品を９００℃に少なくとも７時間保持し、
部品を７２０℃に冷却して少なくとも２時間保持し、
部品を６９０℃に冷却して少なくとも８時間保持する
ことを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記部品がガスタービンケーシングをなす、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記部品が、各々約０．０５重量％未満のリン、チタン、バナジウム及びスズを含む、請求項７乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記部品が、各々約０．１重量％未満のアルミニウム、銅及びクロムを含む含む、請求項７乃至請求項１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記部品が、約０．１５重量％未満のマンガンを含む、請求項７乃至請求項１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記部品が、約０．０５重量％未満のタングステンを含む、請求項７乃至請求項１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記接種剤がフェロシリコンを含む、請求項７乃至請求項１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記接種剤がカルシウム、ゲルマニウム、ストロンチウム及び希土類元素をさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記処理合金がマグネシウム及びニッケルを含む、請求項７乃至請求項１６のいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
さらに、約６５０〜７５０℃で部品の厚さ１インチ当たり１時間応力除去焼鈍することを含む、請求項７乃至請求項１７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
前記鋳造が、熱を除去するための大型鋳造ブロックを配置することを含む、請求項７乃至請求項１８のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、経済性とサプライヤー選択性に優れたガスタービン用ダクタイル鉄に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高温（３７０℃超）で作動するガスタービンケーシングは合金鋼の鋳造品又は製品に限られている。ガスタービンは、ピーク負荷をカバーするため非定常運転に耐えなければならない。そのため、ガスタービン部品には熱応力及び機械的応力が加わる。従って、ガスタービンケーシングは高温環境及び繰返し温度サイクルに耐えることができなければならない。高温でのガスタービンケーシング材料の強度は高くなければならない。現在、ガスタービンケーシング用の合金鋼鋳造品はこれらの要件を満足する。しかし、合金鋼製のガスタービンケーシングは製造コストがかかり、サプライヤーの数も限られている。
【０００３】
従来のフェライト系ダクタイル鉄は合金鋼よりも安価であるが、特性の組合せが適切でなく、最新ガスタービン圧縮機排気及びタービンシェルケーシングには使用されていない。ケイ素及びモリブデン含有量の高い鉄が、ある種の自動車用途、典型的には排気マニホルドに使用されている。これらの鉄はＳｉＭｏ鉄と呼ばれる。しかし、これらの鉄は概して低温で脆性であり、割れを起こし易い。さらに、これらの材料は高温で所要の靱性を有していない。かかる材料の具体例は、米国特許出願公開第２００８／００９２９９５号、国際公開第２００６／１２１８２６号、米国特許第６５０８９８１号及び欧州特許出願公開第１７２４３７０号に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００９２９９５号明細書
【特許文献２】国際公開第２００６／１２１８２６号
【特許文献３】米国特許第６５０８９８１号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第１７２４３７０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ケーシングの大きさが増すと、鋼鋳造物からのガスタービンケーシングの製造コストは増す。さらに、こうした大きな鋼鋳造物を製造できる現在の供給元は小さい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態には、ダクタイル鉄製のガスタービンケーシングであって、ダクタイル鉄が、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、約０．８〜１．５重量％のモリブデン、約０．０２５〜０．６０重量％のマグネシウム、約０．０１重量％未満のイオウ、約０．０〜１．３重量％のニッケル、及び残部の鉄を含むガスタービンケーシングが包含される。
【０００７】
本発明の実施形態には、ダクタイル鉄製のガスタービンケーシングであって、ダクタイル鉄が、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、約０．８〜１．５重量％のモリブデン、約０．０２５〜０．６０重量％のマグネシウム、０．０１重量％未満のイオウ、約０．０〜１．３重量％のニッケル、０．０５重量％未満のリン、０．０５重量％未満のチタン、約０．０５重量％未満のバナジウム、０．０５重量％未満のスズ、約０．１０重量％未満のアルミニウム、約０．１０重量％未満の銅、約０．１０重量％未満のクロム、約０．１５重量％未満のマンガン、及び残部の鉄を含むガスタービンケーシングも包含される。
【０００８】
また、本発明の実施形態には、部品の製造方法も包含される。本方法は、炭素、ケイ素、マグネシウム、イオウ、ニッケル、及び残部の鉄を含むダクタイル鉄を溶融して溶湯を形成することを含む。溶湯に、接種剤及び処理合金を加える。モリブデンを溶湯に加える。溶湯を鋳造して部品を形成する。部品は、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、約０．８〜１．５重量％のモリブデン、約０．０２５〜０．６０重量％のマグネシウム、約０．０１重量％未満のイオウ、約０．０〜１．３重量％のニッケル、及び残部の鉄を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態を実施するための例示的な方法のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。
【００１１】
ケイ素及びモリブデンを大量に合金添加することによって、ダクタイル鉄の高温強度、疲労及びクリープ挙動を改良することができる。これらの鉄は一般にＳｉＭｏ鉄として分類され、ターボチャージャーハウジング及び排気マニホルドのような自動車用途に広く使用されている。
【００１２】
ダクタイル鉄は、通常は、圧縮機排気ケーシング又はタービンシェルのような高温ガスタービンケーシング用途の設計要件を満足しない。ガスタービンケーシングには一般に合金鋼が使用される。
【００１３】
モリブデン及びケイ素の合金添加によって従来のフェライト系ダクタイル鉄よりも高温性能の向上したダクタイル鉄が提供される。ケイ素及びモリブデン添加量は、十分な低温靭性を保持したまま、妥当な高温特性が達成されるように調和される。
【００１４】
肉厚ダクタイル鉄における標準的なケイ素レベルは通例２．０〜２．２重量％である。今回、ケイ素含有量を２．８〜３．５重量％に増すと、室温〜約４００℃での引張強さが実質的に増大することが判明した。０．５重量％モリブデンのダクタイル鉄の等温クリープ性能は従来のダクタイル鉄よりも実質的に優れている。高温強度はクリープ耐性の指標である。耐クリープ性能の改善は、Ｍｏ含有量を０．８〜１．５重量％に増大させたときに最大となる。Ｓｉ及びＭｏを上記の重量百分率で使用することによって、ガスタービンケーシングに適した特性を有するダクタイル鉄が得られる。
【００１５】
本発明の実施形態で使用するダクタイル鉄は、約２．８〜３．７重量％の炭素、約３．０〜３．５重量％のケイ素、約０．８〜１．５重量％のモリブデン及び約０．０〜１．３重量％のニッケルを含んでおり、残部は鉄である。これらの４成分はガスタービンケーシング要件を満足するダクタイル鉄を得るのに臨界的重要性をもつ。高温での引張強さ及び低サイクル疲労（ＬＣＦ）性能は、高温脆性の発生によって決定される。０．０１重量％未満のイオウで適切な特性を有するＳｉＭｏダクタイル鉄を得るため、マグネシウムは０．０２５〜０．６０重量％に保たなければならない。この範囲外のマグネシウム添加量では一般に機械的挙動の不適切な鉄が生ずる。上記成分に加えて、以下の微量成分が許容される。すなわち、０．０５重量％未満のリン、０．０５重量％未満のチタン、０．０５重量％未満のバナジウム、０．０５重量％未満のスズ、０．１０重量％未満のアルミニウム、０．１０重量％未満の銅、０．１０重量％未満のクロム及び０．１５重量％未満のマンガンである。一実施形態では、ＳｉＭｏダクタイル鉄のタングステン含有量は０．０５重量％未満である。
【００１６】
モリブデンに富む共晶相は、機械的性質、特に伸び及び靭性を損なうおそれがある。モリブデンが共晶相、金属間化合物相又は金属炭化物相の形態でセル境界に強く分配されるのは避けられない。しかし、これらの相は、適切な接種及びチル処理その他の鋳造における慣用手段を実施することによって許容レベルまで低減させることができる。
【００１７】
ＳｉＭｏダクタイル鉄の製造方法を図１に示す。段階１０では、鉄その他の成分を溶融させる。上記の生成物化学組成は溶湯の化学組成とは同一ではない。初期液体溶湯に付随した損失があるので、最終的な溶湯化学組成は初期溶湯化学組成とは異なる。段階１１では、通常の接種剤及び処理合金を溶湯に添加する。段階１２では、モリブデン合金を溶湯に添加する。段階１３では、溶湯を鋳造して部品を形成する。ＳｉＭｏ鉄では高レベルのドロスが付随ので、鋳造に際してそのレベルを見込んでおく必要がある。また、部材の収縮率が高く、供給特性が低いのが典型的である。靭性を向上させ、鋳造時の取扱いの際の割れ中に亀裂が入るのを防ぐために、段階１４の熱処理又はフェライト化焼鈍が概して必要とされる。
【００１８】
鋳造材料に対する典型的な熱処理又はフェライト化焼鈍工程は以下の通りである。鋳造部材を少なくとも７時間９００℃に保持する。部材を７２０℃まで冷却して少なくとも２時間保持する。部品を６９０℃に冷却して少なくとも８時間保持する。
【００１９】
フェライト化焼鈍工程ではなく、応力除去焼鈍を鋳造部材に実施することができる。応力除去焼鈍は、約６５０〜７５０℃で、肉厚最大の断面の厚さ１インチ当たり１時間行われる。
【００２０】
接種剤は、準安定炭化物の代わりにグラファイトの形成を促進するために必要とされる。接種剤は、グラファイト形成のための不均質核生成部位（種晶）となる。接種剤の主要成分はケイ素である。鋳造グレードのフェロシリコン（７５重量％Ｓｉ）が接種剤として多用される。典型的な市販の接種剤は高レベルのケイ素に加えて様々なレベルのカルシウム、ゲルマニウム、ストロンチウム、及び希土類元素（肉厚の鉄での他の有益な特性のためにセリウムが最も一般的である）を含有する。接種剤は、大型ダクタイル鋳鉄の製造では複数回添加されることが多い。適切な接種剤は多くの供給元から入手可能である。
【００２１】
図１の段階１１で、通常の処理合金が溶湯に添加される。処理（改質ともいう）は、フレークではなく球状グラファイトを生成させるために必要である。処理はほぼ純粋なＭｇの粉体（Ｇｅｏｒｇｅ  Ｆｉｓｃｈｅｒコンバータ）の形態であってもよいし、多くの場合はＭｇ含有合金（多くの場合ニッケルとの合金）の形態である。
【００２２】
凝固中に収縮が起こる。方向性凝固を促進して鋳造物の重要な部分での巨視的な収縮多孔性を制限すべく、チル処理（熱除去用の大きな鋳鉄ブロックの戦略的な配置）を利用する。これらのチルの大きさ、タイプ、数及び配置は、ＳｉＭｏ鉄に付随する低下した供給及び収縮レベルのために、これらの鉄では一段と重要性を増す。
【００２３】
重要な部分での大きな収縮孔を防ぐように溶融金属を供給するにはライザー（フィーダー）が必要である。これらのライザーは、収縮を起こし易い領域（例えば、厚肉部から薄肉部への形状移行部への供給は困難である）に配置されることが多い。一般的な鋳造慣行では、鋳造性が減少するとライザー間の距離を減少させる必要がある。また、鋳造性が減少したときには、大型のライザー及びライザー首部が使用されることが多い。合金の鋳造性が低下する場合、鋳込温度の調整も一般的である。
【００２４】
本明細書における「第１」、「第２」などの用語は順序、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）。
【００２５】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を様々に変化させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。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、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図１】
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