(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０重量％から１８重量％までのニッケル、８重量％から１６重量％までのコバルト、１重量％から５重量％までのモリブデン、０．５重量％より少ないアルミニウム、及び１重量％から３重量％までのクロムを有する鉄基合金を準備し、その後で、
真空炉において前記合金を溶融して溶融物にし、その後で、
前記溶融物に重量比で２００ｐｐｍより多い量の第１添加量のカルシウムを加え、その後で、
前記溶融物にアルミニウムを加え、０．５重量％より多いアルミニウム含有量になるまで前記溶融物のアルミニウム含有量を増加し、その後で、
前記溶融物を鋳造して鋳物にする、
段階を含むことを特徴とする鋼製物品（２０）を製造するための方法。
【請求項２】
鉄基合金を準備する前記段階が、アルミニウム含有量が０．１重量％より少ない鉄基合金を準備する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記合金を溶融する前記段階と同時で、かつ前記溶融物に第１添加量のカルシウムを加える前記段階より前に、前記溶融物の酸素含有量を重量比で１０ｐｐｍより少ない値になるまで減らす付加的段階が実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
アルミニウムを加える前記段階と同時に、前記溶融物に第２添加量のカルシウムを加える付加的段階が実行されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２添加量のカルシウムが重量比で１００から２００ｐｐｍの量である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記鉄基合金を準備し、その後で、
真空炉において前記合金を溶融して溶融物にする、
段階を含み、前記合金を溶融する前記段階が、
前記真空炉内の圧力を徐々に減らして前記溶融物に炭素沸騰を生じさせ、前記溶融物の酸素含有量を重量比で１０ｐｐｍより少ない値になるまで減らし、その後で、
前記溶融物に、重量比で２００ｐｐｍより多い量の第１添加量のカルシウムを加え、その後で、同時に、
前記溶融物にアルミニウムを加え、０．５重量％より多い量になるまで前記溶融物のアルミニウム含有量を増加し、かつ
重量比で１００から２００ｐｐｍの量の第２添加量のカルシウムを前記溶融物に加え、その後で、
前記溶融物に重量比で５０から１５０ｐｐｍの量の第３添加量のカルシウムを加え、その後で、
前記溶融物を鋳造して鋳物にし、その後で、
前記鋳物を機械加工する、
段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
アルミニウムを加える前記段階が、０．５重量％から１．３重量％のアルミニウム含有量になるまで前記溶融物のアルミニウム含有量を増加するのに十分なアルミニウムを加える段階を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記溶融物を鋳造して鋳物にする前記段階が、
前記溶融物を鋳造して、１０重量％から１８重量％までのニッケル、８重量％から１６重量％までのコバルト、１重量％から５重量％までのモリブデン、０．５重量％から１．３重量％までのアルミニウム、１重量％から３重量％までのクロム、０．３重量％までの炭素、０．１重量％より少ないチタンを含み、残部が鉄と不可避不純物からなる組成を有する鋳物にする、
段階を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高張力鋼製物品の製造に関し、より具体的には、溶融中及びそれより後の最終物品におけるアルミニウム−酸素ベースの含有量の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用ガスタービン（ジェット）エンジンにおいては、空気は、エンジンの前部に引き込まれ、軸流圧縮機によって加圧され、燃料と混合される。混合気が燃焼され、その結果生じる高温燃焼ガスは、軸流タービンを通過する。ガス流は、タービンブレードの翼型部分に接触することによってタービンを回転させ、タービンが次に出力を圧縮機に与える。高温の排気ガスがエンジンの後方から噴出し、該エンジン及び航空機を前方に駆動する。
【０００３】
圧縮機及びタービンの様々な段、及びターボファンが設けられる場合には該ターボファンが、ガスタービンエンジンの中心線に沿って延びるシャフト及びシャフトセグメント上に取付けられ、それらによって互いに連結される。シャフトの幾つかは高張力鋼製である。これらのシャフトは優れた強度を有する必要があるが、同時に重要なことには、シャフトにかかる様々な形態の負荷のために、それらが捩じれのもとでの低サイクル疲労寿命に優れていなければならない。
【０００４】
従来は、シャフトは、窒化チタン析出物を含むマレージング鋼により製造されていた。これらの析出物が低サイクル捩じれ疲労寿命に限界をもたらすということが研究により示された後には、高張力低チタンのマレージング鋼の系列が開発された。これらの鋼は、前世代の鋼におけるチタン添加に代えて、約０．５重量パーセントから約１．３重量パーセントまでのオーダのアルミニウムを添加することによって強化されている。これらの高アルミニウム鋼は、特許文献１に記載されており、本特許の開示内容は参考文献として本明細書に組入れられる。この特許文献１に記載の鋼は、大幅に改良されたシャフトの疲労寿命をもたらす。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５，３９３，４８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしなお、改良の余地は残る。強度、耐久性及びその他の鋼特性に悪影響を与えることなく、かつ処理パラメータに大きな変更を必要とすることなく、特許文献１に記載の鋼の疲労寿命をさらに増大させることが、継続的な要請である。
本発明はこの要請を満たし、さらに関連する利点を提供するものである。
【０００７】
本発明は、特許文献１に記載の鋼のような高アルミニウム鋼のための改良された溶融及び鋳造の技術を提供する。新しい手法は、アルミニウム−酸素組成に基づく含有物クラスタの存在を減らす。このようなクラスタは、それが存在する場合には、疲労破壊の発生部位として働くことになる。鋼の他の所望の機械的特性は、本発明の技術によって悪影響を受けることはない。本発明の手法によって生成される鋼は、ガスタービンエンジン用のシャフトとしての用途があり、同様に他の用途も見出される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
鋼製物品を製造する方法は、１０重量％から１８重量％までのニッケル、８重量％から１６重量％までのコバルト、１重量％から５重量％までのモリブデン、０．５重量％より少ないアルミニウム、及び１重量％から３重量％までのクロムを有する鉄基合金を準備し、その後で真空炉においてこの合金を溶融して溶融物にし、その後で溶融物に重量比で２００ｐｐｍより多い量の第１添加量のカルシウムを加え、その後で溶融物にアルミニウムを加え、溶融物のアルミニウム含有量を０．５重量パーセントより多いアルミニウム含有量になるまで増加し、その後で溶融物を鋳造して鋳物にする段階を含む。
【０００９】
最初に準備される鉄基合金は、好ましい溶融手順に用いるため、アルミニウム含有量が望ましくは約０．５重量パーセントより少なく、好ましくは、約０．１重量パーセントより少ない。１つの実施形態において、準備される鉄基合金は、約１０重量パーセントから約１８重量パーセントまでのニッケル、約８重量パーセントから約１６重量パーセントまでのコバルト、約１重量パーセントから約５重量パーセントまでのモリブデン、約０．５重量パーセントより少ない（好ましくは約０．１重量パーセントより少ない）アルミニウム、及び約１重量パーセントから約３重量パーセントまでのクロムを含み、残部が鉄及び他の少量の成分を有するものである。アルミニウムの添加は、望ましくは、約０．５重量パーセントから約１．３重量パーセントになるまで溶融物のアルミニウム含有量を増加させるものである。１つの実施形態において、最終的な鋳物は、望ましくは、約１０重量パーセントから約１８重量パーセントまでのニッケル、約８重量パーセントから約１６重量パーセントまでのコバルト、約１重量パーセントから約５重量パーセントまでのモリブデン、約０．５重量パーセントから約１．３重量パーセントまでのアルミニウム、約１重量パーセントから約３重量パーセントまでのクロム、約０．３重量パーセントまでの炭素、約０．１重量パーセントより少ないチタンを含み、残部が鉄及び他の少量の成分を有する。
【００１０】
通常の場合において、最初に準備される鉄基合金は、比較的高い炭素含有量、通常は約０．３重量パーセントより多い炭素含有量を有する。最初に準備された鉄基合金を真空炉内において溶融させ、圧力を徐々に減らし、その間に炭素−酸素の化学反応（「炭素沸騰」と呼ばれる）が起こり、重量比で１０ｐｐｍより少ない値になるまで溶融物の酸素含有量が減らされるようにすることが好ましい。次に、好ましくは、重量比で約２００ｐｐｍより多い量の第１添加カルシウムが加えられる。任意ではあるが好ましいこととして、アルミニウムを加える段階と同時に、望ましくは重量比で約１００から約２００ｐｐｍの量の第２添加カルシウムを溶融物に加える付加的段階が実行される。任意ではあるが好ましいこととして、アルミニウムを加える段階の後でかつ鋳造段階の前に、望ましくは重量比で約５０から約１５０ｐｐｍの量の第３添加カルシウムを溶融物に加える付加的段階が実行される。カルシウム添加は、好ましくはＮｉＣａなどの合金形態で行われる。アルミニウム−酸素ベースのクラスタ化された含有物は、それらが存在する場合には、鋼製物品の低サイクル疲労性能を損なうことになるが、カルシウム添加は、カルシウム添加がない場合にクラスタ化された含有物が形成されることになる期間中に、溶融物を還元し、このクラスタ化された含有物の形成の機会を減少させる。
【００１１】
本発明の鋼は、通常は鋳物のままの状態で用いられることはなく、一般的には機械加工される（機械加工及び／又は加熱機械加工処理を含む）。最も関心のある用途として、鋳物は機械加工されてガスタービンエンジンのシャフトにされる。
【００１２】
好ましい実施形態において、鋼製物品を製造するための方法は、炭素含有量が約０．３重量パーセントより多く、アルミニウム含有量が約０．１重量パーセントより少ない鉄基合金を準備し、その後で真空炉において合金を溶融して溶融物にする段階を含む。合金を溶融する段階は、真空炉内の圧力を徐々に減らし溶融物に炭素沸騰を生じさせることを含み、それによって溶融物の酸素含有量を、重量比で約１０ｐｐｍより少ない値になるまで減らす。その後で、重量比で約２００ｐｐｍより多い量の第１添加カルシウムが、溶融物に加えられる。この方法はさらに、その後で、同時に、アルミニウムを溶融物に加えて、溶融物のアルミニウム含有量を約０．５重量パーセントより多い値になるまで増加させ、重量比で約１００から約２００ｐｐｍの量の第２添加カルシウムを溶融物に加えることを含む。その後で、好ましくは重量比で約５０から約１５０ｐｐｍの量の第３添加カルシウムを溶融物に加えることが好ましい。このカルシウム添加の表示した量は、典型的な事例のものである。添加量は、溶融物内に実際に存在する酸素量に基づいて、必要に応じて変更することができ、この酸素量は、通常のリアルタイム技術によって容易に測定することができる。実施可能な他の化学酸化剤を、カルシウムの代りに用いることができる。溶融物はその後で鋳造され、その鋳物が機械加工される。本明細書のいずれかの箇所で述べられる適合性のある特徴は、本実施形態に適用可能である。
【００１３】
別の実施形態において、鋼製物品を製造するための方法は、アルミニウム含有量が約０．５重量パーセントより少ない鉄基合金を溶融し、その間に、溶融物の酸素含有量を重量比で約１０ｐｐｍより少ない値になるまで減らす段階を含む。酸素含有量を減らす段階は、カルシウムなどの還元剤を溶融物に加える段階を含む。アルミニウムが溶融物に加えられ、溶融物のアルミニウム含有量が約０．５重量パーセントより多いアルミニウム含有量になるまで増加させられ、その後で溶融物が鋳造され鋳物にされる。溶融物は、最初は、アルミニウム含有量が約０．１重量パーセントより少なく、炭素含有量が約０．３重量パーセントより多いことが好ましい。本明細書のいずれかの箇所で述べられる適合性のある特徴は、本実施形態に適用可能である。
【００１４】
特許文献１に記載の組成は、鋼のチタン含有量を減らし、そのことにより窒化チタン含有物の存在を減らすことによって、鋼の低サイクル疲労の寿命に対する大きな改良が達成された。これらの含有物が疲労破壊発生の原因となることが観察された。特許文献１に記載の鋼は、鋼にとって比較的量の大きい約０．５重量パーセントから約１．３重量パーセントのオーダのアルミニウムの添加によって強化されている。この高アルミニウム鋼及び同様な鋼により鋳造及び加工された最終物品における疲労破壊が、アルミニウム−酸素ベースのクラスタ化された含有物（時として「ラフト」と呼ばれる）で始まることを、本発明者らは見出した。これらアルミニウム−酸素ベースのクラスタは、溶融する手法にまで立ち返って追跡された。高アルミニウム鋼合金が鋳造に先立って溶融されるときに、アルミニウムは、溶融された鋼においてアルミニウム−酸素ベースの含有物クラスタを形成する。これらの含有物クラスタは、鋳物内に残存し、次に機械加工された最終製品内に残存して早期の疲労破壊に至る。
【００１５】
この問題を緩和する可能性がある手法の１つは、鋳造する直前にカルシウムを高アルミニウム鋼の溶融物に加えることである。しかしながら、本研究が示したのは、鋳造する直前の高アルミニウム溶融物へのカルシウム添加が、最終製品におけるアルミニウム−酸素ベース含有物の存在を回避するには十分でないということであった。
【００１６】
むしろ、含有物の問題は、最初に比較的低アルミニウム含有量の溶融物を準備し、次に残りのアルミニウム添加に先立ってカルシウムを加え、アルミニウム含有量を最終生成物における所望量、典型的には約０．５重量パーセントから約１．３重量パーセントになるまでにすることによって、大幅に減らすことができることが見出された。任意ではあるが好ましいこととして、アルミニウム添加と同時にカルシウムを同様に加える。溶融物において高められたカルシウム含有量は、アルミニウム−酸素ベースのクラスタになるのに使われる遊離酸素を減らす。カルシウムは、溶融物内において遊離酸素と反応して生成物を形成し、酸素が酸化カルシウム及び／又はアルミン酸カルシウムなどになり、もはや遊離状態ではなくなる。アルミニウムを加えた後に、さらに任意でカルシウムを加えて、鋳造する前の溶融物の処理中に溶融物内に導入される可能性がある酸素と反応させることができる。最終製品では、アルミニウム−酸素ベースのクラスタの濃度が減少する。機能的にカルシウムと同等の還元剤を同様に用いてもよい。
【００１７】
鋼から生成された最終物品の改良された低サイクル疲労寿命は、この手法の変更がもたらした結果である。本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示的に示す添付図面と関連してなされる好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかとなろう。しかしながら、本発明の技術的範囲は、この好ましい実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の手法によって製造できる鋼製物品２０の例を示す。物品２０は、好ましくはガスタービンエンジンにおいて用いられるシャフトである。しかしながら、本発明の使用はこの物品に限定されるものではない。
【００１９】
図２は、本発明を実施するための好ましい手法を構成するブロック図を示す。
符号３０に示すように、鉄基合金が準備される。鉄基合金は他のいずれの成分よりも多量の鉄を有する。鉄基合金は、約０．５重量パーセントより少ない、好ましくは約０．１重量パーセントより少ない比較的少量で存在するアルミニウムを含有する。他の成分が通常は存在する。好ましい形態において、鉄基合金は、約１０重量パーセントから約１８重量パーセントまでのニッケル、約８重量パーセントから約１６重量パーセントまでのコバルト、約１重量パーセントから約５重量パーセントまでのモリブデン、約０．５重量パーセントより少ないアルミニウム、及び約１重量パーセントから約３重量パーセントまでのクロムを有する。炭素は、通常、最初に準備される鉄基合金に約０．３重量パーセントより多い量で存在し、炭素含有量は、以下に説明されるように溶融の過程において減らされる。チタンは、仮に存在するとしても約０．１重量パーセントより少ない量である。組成の残りは、鉄と、可能性として意図的に存在する他の成分と、不純物である。（ここで全組成は、別に述べられていない場合には重量パーセントである）。
【００２０】
符号３２で示すように、その後で合金が溶融される。溶融は、好ましくは、最終的に約５０マイクロメートル圧より低い値に達する圧力で、真空炉において達成される。最も好ましい真空炉は、酸化アルミニウム又は酸化マグネシウム製のルツボを用いる真空誘導溶融炉である。
【００２１】
図２の符号３４に示すように、溶融過程は、溶融物の遊離酸素含有量を低い水準にまで減らし、その結果、アルミニウム−酸素ベースのクラスタ化された有害な含有物を形成するアルミニウムと反応可能な遊離酸素がほとんどなくなる。好ましい本発明の手法において、遊離酸素含有量は２つの主要なメカニズムによって減らされる。第１に、真空チャンバにおける圧力が減らされた際に、炭素と遊離酸素とが共に化学反応をしてガス状の二酸化炭素と一酸化炭素になり、それらが溶融物から泡立つことになる。この反応及び泡立ちは、攪拌状態のものであり、「炭素沸騰」という表現が用いられる。炭素沸騰は、アルミニウム含有量があまりに高すぎる場合には感知できるほどには発生せず、このために、最初に準備される溶融物のアルミニウム含有量は、好ましくは約０．１重量パーセントより少ない。しかしながら、他の酸素還元技術が溶融の最初の段階において用いられる場合には、より高いアルミニウム含有量であってもよい。溶融物の遊離酸素含有量は、段階３４の最後に重量比で約１０ｐｐｍより低くなることが好ましい。
【００２２】
図２の符号３６に示すように、第１添加の化学還元剤、好ましくはカルシウムが加えられ、溶融物の酸素含有量をなお一層減らす。カルシウム添加は、好ましくは、重量比で約２００ｐｐｍより多い量であり、過剰なカルシウムが選択され、溶融物おける遊離酸素の実質的に全てと反応し結合する。結果的に溶融物に元素状態のカルシウムが存在するようになる実施可能ないずれの形態ででも、カルシウムを加えることができる。本発明の手法を開発する際に、ＮｉＣａがカルシウム源として用いられた。
【００２３】
符号３８に示すように、アルミニウムは、その後で合金の最終的な所望アルミニウム含有量になるまで溶融物に加えられる。鋳造される合金の好ましいアルミニウム含有量は、約０．５重量パーセントから約１．３重量パーセントまでである。溶融物の他の成分の化学組成は、溶融工程中に実行される化学分析に基づき、この時点で同様にそれらの所望最終値に調整されることができる。
【００２４】
好ましくは、第２添加の化学酸化剤として最も好ましいカルシウムが、段階３８におけるアルミニウム添加と同時に、溶融物に加えられる。第２添加カルシウムは、好ましくは、重量比で約１００から約２００ｐｐｍまでである。
【００２５】
段階３８のアルミニウム添加に先立つ段階３６の第１添加カルシウム及び段階３８において同時に行う第２添加カルシウムは、溶融物において化学還元剤を与えることであり、それらは、溶融物に存在する遊離酸素と化学反応し、酸化カルシウム又はアルミン酸カルシウムなどの化合物となる。これらの化合物はクラスタ化されにくい。段階３８において加えられた過剰アルミニウムと反応し、クラスタ化しやすいアルミニウム−酸素ベースの種を形成し、最終的に最終鋳物製品において望ましくないクラスタ化された含有物を生成することになる遊離酸素は、もはや存在しなくなる。本発明の処理手法がない場合には、こうしたアルミニウム−酸素ベースのクラスタが形成され、最終製品における含有物となる。この含有物は早期の疲労破壊の発生部位として働くことになる。
【００２６】
遊離酸素は、真空溶融炉の真空状態の下で、またその後に続く鋳造工程中においてさえ、溶融物に拡散する傾向にあり、アルミニウム−酸素クラスタの形成に至る可能性がある。従って、図２の段階４０に示すように、段階３８においてアルミニウムがその最終値に調節された後で、段階４２の鋳造工程前又はその間で、溶融物に第３添加カルシウムを加え、存在する如何なる遊離酸素とも化学反応させることが好ましい。第３添加カルシウムは、好ましくは重量比で約５０から約１５０ｐｐｍまでの量であり、最も好ましいのは重量比で約１００ｐｐｍの量である。
【００２７】
符号４２に示すように、その後で溶融物は鋳造され凝固される。実施可能な固定の型又は連続鋳造工程のいずれをも用いことができる。
【００２８】
好ましい合金は、鋳物のままの形態で用いられることのない鍛造合金である。
むしろ、符号４４に示すように、鋳物は図１のシャフト２０のように最終的な所望形状に機械加工される。機械加工４４は、室温での加工、より高温での加工、又は加熱機械加工処理を含むことができる。熱処理は、必要に応じて用いることができる。より好ましい鋳物合金の加工手法のそれ以上の詳細は、米国特許第５，３９３，４８８号に見出される。本発明の手法の利点は、物品を生成するための従来手法におけるのと同じ機械加工処理を、本手法においても用いることができるということである。
【００２９】
図３及び図４は、物品２０の理想の微細組織である。図３の微細組織は、本発明により生成され、第１添加カルシウム３６が加えられた材料についてものである。図４の微細組織は、アルミニウム添加３８に先立つ第１添加カルシウム３８なしで生成された材料についてのものであり、本発明の技術的範囲内に含まれない生成物を示す。図４のこの材料においては、微細組織全体に拡散する含有物として作用するアルミニウム−酸素ベースのクラスタ２４がある。これらのクラスタ２４は極めて大きく、各々が典型的には微細組織において数百平方ミクロンの平面面積を有する。大きいクラスタ２４は、疲労ひび割れ発生の原因として、特に最終製品における低サイクル疲労のひび割れ発生の原因として働く可能性がある。対照的に図３の微細組織においては、微粒子２６が存在し、微細組織全体に分布される。微粒子２６は、ひび割れの発生部位として作用することによって最終製品の低サイクル疲労特性に強い悪影響を与えるほどの十分な大きさまでにクラスタ化されていない。
【００３０】
本発明の手法は実際に実施された。カルシウム添加が有る場合とカルシウム添加が無い場合との本物品に対する比較テストの結果が、図５に示される。カルシウム添加を用いる本発明の手法は、一般的に優れており、特にグラフ左手に向かう重要な低サイクル疲労領域において、より優れた疲労結果を達成する。
【００３１】
本発明の特定実施形態を例示の目的のために詳細に説明してきたが、様々な修正及び改良を、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、特許請求の範囲による以外では限定されることはない。
【００３２】
特許請求の範囲において示される参照符号は、本発明の技術的範囲を制限するためのものではなく、それらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の鋼製シャフトの斜視図。
【図２】  本発明を実施するための手法のブロックフロー図。
【図３】  図２の手法により準備された鋼の理想の微細組織。
【図４】  アルミニウム添加前にカルシウム添加をしていない、図３に示すものと同様の組成の鋼の理想の微細組織。
【図５】  カルシウム添加がある場合と無い場合とについての、低サイクル疲労における破壊までのサイクル関数としての交互の擬似応力グラフ。
【符号の説明】
２０  鋼製物品（シャフト）
２４  クラスタ
２６  微粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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