(57)【要約】      （修正有）【課題】ダクタイル鉄製品を成形してオーステンパ処理する方法及びそれによって製造される製品を提供する。【解決手段】ダクタイル鉄製品プリフォームを用意する段階１１０を含む。製品の熱間加工部分を得るために熱間加工によってダクタイル鉄製品プリフォームを変形させる段階１２０も含む。製品をオーステンパ処理温度まで冷却する段階１３０をさらに含む。さらに、熱間加工部分のオーステンパ処理されたミクロ組織が製品の他の部分とは異なるオーステンパ処理されたミクロ組織を含むオーステンパ処理製品プリフォームが得られるのに十分な所定時間、ダクタイル鉄製品プリフォームをオーステンパ処理する段階１５０を含む。【選択図】図１
2013104132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダクタイル鉄製品の製造方法であって、
ダクタイル鉄製品プリフォームを用意する段階と、
ダクタイル鉄製品プリフォームの熱間加工部分を得るためダクタイル鉄製品プリフォームを熱間加工によって変形させる段階と、
ダクタイル鉄製品プリフォームをオーステンパ処理温度まで冷却する段階と、
オーステンパ処理されたミクロ組織を含むテンパー処理ダクタイル鉄製品プリフォームが得られるのに十分な所定時間、、ダクタイル鉄製品プリフォームをオーステンパ処理する段階であって、熱間加工部分のオーステンパ処理されたミクロ組織がオーステンパ処理ダクタイル鉄製品プリフォームの他の部分とは異なる、段階と
を含む方法。
【請求項２】
ダクタイル鉄製品プリフォームのオースフォームド部分を得るために、冷却後及び所定時間前にダクタイル鉄製品プリフォームをオースフォーミングする段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
熱間加工部分とオースフォームド部分とが、ダクタイル鉄製品プリフォームの同じ部分をなす、請求項２記載の方法。
【請求項４】
熱間加工部分とオースフォームド部分とが、ダクタイル鉄製品プリフォームの異なる部分をなす、請求項２記載の方法。
【請求項５】
ダクタイル鉄製品プリフォームが、ハブ端部及びギアボックス端部を有する風力タービン軸を含み、熱間加工部分がハブ端部に隣接している、請求項１記載の方法。
【請求項６】
熱間加工部分がハブフランジ又は遷移カラーを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
ダクタイル鉄製品プリフォームが、ハブ端部及びギアボックス端部を有する風力タービン軸を含み、熱間加工部分又はオースフォームド部分がハブ端部に隣接している、請求項２記載の方法。
【請求項８】
ダクタイル鉄製品プリフォームが風力タービン軸を含み、熱間加工部分又はオースフォームド部分が、ハブフランジ、遷移カラー又は軸体を含む、請求項２記載の方法。
【請求項９】
１以上のハブフランジ又は遷移カラーが約５〜約５０％変形される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
軸体が約５％以下変形される、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
ダクタイル鉄風力タービン軸の製造方法であって、
ダクタイル鉄風力タービン軸プリフォームを用意する段階と、
風力タービン軸プリフォームの熱間加工部分を得るための熱間加工、又は風力タービン軸プリフォームのオースフォームド部分を得るためのオースフォーミング、或いはそれらの組合せによってダクタイル鉄風力タービン軸プリフォームを変形させる段階と、
ダクタイル鉄風力タービン軸のオーステンパ処理プリフォームが得られるのに十分な所定時間、、ダクタイル鉄風力タービン軸プリフォームをオーステンパ処理する段階であって、熱間加工部分又はオースフォームド部分のオーステンパ処理されたミクロ組織がダクタイル鉄風力タービン軸のオーステンパ処理プリフォームの他の部分とは異なる、段階と
を含む方法。
【請求項１２】
熱間加工部分又はオースフォームド部分が、ハブフランジ、遷移カラー又は軸体を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
風力タービン軸プリフォームの熱間加工部分を得るための熱間加工によってダクタイル鉄風力タービン軸プリフォームを変形させる段階が、風力タービン軸プリフォームをオーステンパ処理温度まで冷却する段階をさらに含む、請求項１１記載の風力タービン軸。
【請求項１４】
オーステンパ処理されたミクロ組織を有するダクタイル鉄風力タービン軸であって、オースフェライト母相及び複数の黒鉛ノジュールを含み、オーステンパ処理されたミクロ組織が変形部分を有しており、変形部分が、軸の他の部分のミクロ組織とは異なるミクロ組織を有する風力タービン軸。
【請求項１５】
変形部分が、軸の他部のものより大きい硬度、衝撃強さ、引張強さ又は疲労強度を有する、請求項１４記載の風力タービン軸。
【請求項１６】
変形部分のミクロ組織中の隙間が、１以上の板幅のオースフェライト母相の針状相成分、黒鉛ノジュールの形状、又は軸の他の部分とは異なる多孔性を含む、請求項１４記載の風力タービン軸。
【請求項１７】
変形部分の中の板幅のオースフェライト母相の針状相成分が、軸の他部における板幅のオースフェライト母相の針状相成分より小さい、請求項１６記載の風力タービン軸。
【請求項１８】
変形部分におけるオースフェライト母相の多孔性の平均の値が、軸の他部におけるそれより小さい、請求項１６記載の風力タービン軸。
【請求項１９】
変形部分が、ハブフランジ、遷移カラー又は軸体、或いはそれらの組合せを含む、請求項１４記載の風力タービン軸。
【請求項２０】
変形部分が、約５％〜約５０％の塑性ひずみを受けている請求項１４記載の風力タービン軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ダクタイル鉄合金からの大型製品の製造方法、特に合金成形後のオーステンパ処理によってダクタイル鉄合金から風力タービンの主軸を製造する方法について開示する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンの主軸のような大型シャフトの製造には、様々な合金が検討・使用されている。一例として、風力タービン用途の主軸には一般に鍛鋼が用いられている。鍛鋼風力タービン軸は有用ではあるが、そのサイズ、並びに必要な合金特性を得るのに必要な機械的処理（例えば、鍛造）、熱処理及び機械加工のため、概して高価である。
【０００３】
ダクタイル鉄（ノジュラー鋳鉄）合金も、それらの強度、靭性及び機械加工性の点で、風力タービンの主軸の製造に使用されてきた。これらの軸の典型的な製造方法は、慣用の砂型鋳造を伴う。これらの方法は、一般に、壁部厚さが１５ｃｍ未満の比較的小さな軸の製造に用いられてきた。これらの方法は、ダクタイル鉄の風力タービン軸の製造には有用であるが、大型化（鋳物重量、直径及び軸壁部厚の増大など）を始めとする最近の風力タービン設計の厳しいサービス要件には概して適していない。風力タービン用途に必要とされる主軸の大型化に伴って、強度及び靭性に関する主軸の設計要件は、従来の鋳造オーステンパダクタイル鉄合金の能力を超えてしまっており、鋳物重量の増加、直径の増大及び軸壁部厚の増大を始めとする寸法の増大したダクタイル鉄風力タービン主軸を製造することのできる方法があれば非常に望ましい。
【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２０１０／００８４０５９号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、ダクタイル鉄製品の製造方法の例示的な実施形態について開示する。本方法は、ダクタイル鉄製品プリフォームを用意する段階を含む。本方法は、製品の熱間加工部分を得るため熱間加工によってダクタイル鉄製品プリフォームを変形させる段階も含む。本方法は、製品をオーステンパ処理温度まで冷却する段階をさらに含む。さらに、本方法は、オーステンパミクロ組織を含んでいて熱間加工部分のオーステンパミクロ組織が製品の他の部分とは異なるオーステンパ処理製品プリフォームが得られるのに十分な所定時間、ダクタイル鉄製品プリフォームをオーステンパ処理する段階を含む。
【０００６】
別の態様では、ダクタイル鉄風力タービン軸の製造方法について開示する。本方法は、ダクタイル鉄風力タービン軸プリフォームを用意する段階を含む。本方法は、風力タービン軸プリフォームの熱間加工部分を得るための熱間加工又は風力タービン軸プリフォームのオースフォームド部分を得るためのオースフォーミング或いはそれらの組合せによって、ダクタイル鉄風力タービン軸プリフォームを変形させる段階も含む。本方法は、風力タービン軸プリフォームをオーステンパ処理温度まで冷却する段階をさらに含む。さらに、本方法は、オーステンパミクロ組織を含んでいて熱間加工部分又はオースフォームド部分のオーステンパミクロ組織が風力タービン軸プリフォームの他の部分とは異なるオーステンパ処理風力タービン軸プリフォームが得られるのに十分な所定時間、ダクタイル鉄風力タービン軸プリフォームをオーステンパ処理する段階を含む。
【０００７】
さらに別の態様では、ダクタイル鉄風力タービン軸について開示する。本ダクタイル鉄風力タービン軸は、オースフェライト母相（マトリックス）と複数の黒鉛ノジュールとを含むオーステンパミクロ組織を有する。オーステンパミクロ組織は変形部分を有しており、変形部分は、軸の他の部分のミクロ組織とは異なるミクロ組織を有する。
【０００８】
本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本願で開示するダクタイル鉄製品の製造方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図２】本願で開示するダクタイル鉄風力タービン軸の製造方法の例示的な実施形態のフローチャートである。
【図３】本願で開示する風力タービンの例示的な実施形態の概略斜視図である。
【図４】図３の風力タービンのタービン主軸の例示的な実施形態の概略正面図である。
【図５】本願で開示するダクタイル鉄製品の製造方法の例示的な実施形態の温度プロファイルである。
【図６】本願で開示するダクタイル鉄製品の製造方法の第二の例示的な実施形態の温度プロファイルである。
【図７】本願で開示するダクタイル鉄製品の製造方法の第三の例示的な実施形態の温度プロファイルである。
【図８】ダクタイル鉄合金組成の時間−温度−変態（ＴＴＴ）ダイアグラムに、本願で開示する方法の温度プロファイルを重ねて表示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明の実施形態について、効果及び特徴と併せて説明する。
【００１１】
図１〜図８を参照して、ダクタイル鉄製品８の製造方法１００（図１）の例示的な実施形態について開示する。本方法は、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を用意する段階１１０ａを含む。本方法１００は、熱間加工段階１２５によってダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を変形させて熱間加工品１１４を得る段階１２０も含む。本方法１００は、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２をオーステンパ処理温度まで冷却する段階１３０をさらに含む。さらに、本方法１００は、オーステンパミクロ組織を含むオーステンパ処理製品プリフォーム１１８が得られるのに十分な所定時間、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２をオーステンパ処理する段階１５０も含んでおり、熱間加工品１１４のオーステンパミクロ組織は、オーステンパ処理製品プリフォーム１１８の熱間加工１２５で変形されていない他の部分とは異なる。別法として、方法１００は、熱間加工段階１２５に加えて、冷却段階１３０の後、上記所定時間の前に、熱間加工された製品プリフォーム１１４をオースフォーミングして、製品の変形部分６０も画成するオースフォームド製品プリフォーム１１６を得る段階１４０を含んでいてもよい。さらに別法として、方法１００は、オーステナイト化温度からの冷却段階１３０の後、上記所定時間の前に、オースフォーミングして、製品の変形部分６０も画成するオースフォームド製品プリフォーム１１６を得る段階１４０を含んでいてもよい。上述の熱間加工・オーステンパダクタイル鉄（ＨＷＡＤＩ；hot-worked-austempered ductile iron）及びオースフォームド・オーステンパダクタイル鉄（ＡＡＤＩ；ausformed-austempered ductile iron）は、鋳造オーステンパダクタイル鉄（ＡＤＩ；austempered ductile iron）よりも強度の高い代替物を提供し、風力タービン軸１８のような大型ダクタイル鉄製品８の製造に特に有用である。かかる大型製品は、重量７トン以上、壁部厚１２ｃｍ超となることがある。ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２のミクロ組織の一部の加工は、熱間加工又は温間加工などによって行われる。熱間加工は、安定オーステナイトのミクロ組織を得るのに十分な温度、一般に共析温度（ＴＳγ）（概して７２３℃付近）を超える温度で実施される。温間加工は、準安定オーステナイトのミクロ組織を得るのに十分な温度（概して共析温度（ＴＳγ）以下）で、しかも準安定オーステナイトを維持することができる温度（例えばマルテンサイト開始温度よりも高い温度）で実施され、図５〜図８に概略を示すようにオーステンパ処理を用いてオースフェライトを形成することのできる温度域（概して約３００℃〜約４００℃）でのオースフォーミングを含む。得られる変形ミクロ組織はオースフェライト母相を含んでいて、母相はアシキュラフェライト及び高炭素安定化オーステナイトを含んでいて、その中に複数の黒鉛ノジュールが分散しており、アシキュラフェライトはミクロ組織の変形部分で寸法が微細化されていて、高い強度及び疲労寿命をもたらす。さらに、オースフォーミングを含めた熱間加工又は温間加工による変形は、微小収縮孔を閉じ、ダクタイル鉄鋳造時の最後に凝固する部分でのミクロ偏析の影響を低減することができる。アシキュラフェライトのスケールの減少及び多孔性の減少は、両方��オースフェライトの焼入れ性を効果的に改善する。誘発された変形も、誘発された変形なしの従来のオーステンパ処理よりも与えられた時間帯においてより厚い部分のオーステンパ処理を可能にする。オーステンパ処理の前にダクタイル鉄を変形させることによって、最終的なオーステンパした製品に著しい力学的性質の利点を与えることができる。変形は、オーステンパ済みダクタイル鉄（ＡＤＩ）成分のより高い強度、硬度、靭性及び耐疲労性能を始めとする力学的性質を、変形なしでオーステンパ処理を受ける成分と比較して、著しく増大させることができる。変形したダクタイル鉄成分は、鍛鋼軸のコストと肩を並べるかそれより低いコストで、鍛鋼軸のものに匹敵する力学的性質を提供することができる。
【００１２】
図１〜図７を参照すると、方法１００は、任意の適当なダクタイル鉄製品８の製造に使用することができるが、特に約２〜２０トン以上の重量を有するもの、及び、特に約１００〜約２００ｍｍ以上の壁部厚を有するものを始めとする大型製品を製造するのに特に好適である。製品８は、熱間加工又は温間加工（オースフォーミングを含む）、或いはその組合せによって成形されて、且つ、オーステンパされる適切な大きさで鋳造ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２から製造され、最初に成形されずにオーステンパ済み同一のプリフォームより高い、硬度、強度及び靭性を有利に有するオーステンパ済みダクタイル鉄製品プリフォーム１１８を提供する。方法１００は、任意の適当なダクタイル鉄製品８の製造に使用することができるが、特に様々な大型の風力タービン部品を製造するため、特にダクタイル鉄風力タービン軸１８の製造に有用である。風力タービン軸１８は、風力タービン１０の基本部品である。風力タービン軸１８は風力タービンの基本部品であるものの、それらは、特に約２トン〜約２０トン以上の重量を有する大きい風力タービン軸１８、特に約１００〜約２００ｍｍ以上の壁部厚を有するもの、並びに本明細書に記載されているその他の特性を有する軸に対して要求される、延性、強度、靭性及び疲労抵抗を得ることは不可能であったという事実によって、ダクタイル鉄からは一般に製造されていない。方法１００の使用は、ダクタイル鉄風力タービン軸１８の製造、及び特に大きいダクタイル鉄風力タービン軸、並びに風力タービン１０及びその他の用途のためのその他の大型ダクタイル鉄製品８の製造を可能にする。
【００１３】
風力タービン１０は、ハブ１６から半径方向に延在する多数翼１４を備えている回転翼アセンブリ１２を一般に含む。ハブ１６は、発電機２５に接続されているギアボックス２４を含むドライブトレインの一部を形成する回転可能なダクタイル鉄風力タービン軸１８（図３及び４）に取り付けられている。ダクタイル鉄風力タービン軸１８、ドライブトレイン及び発電機２５は、すべて、タワー２２に取り付けられているナセル２０内にすべて収容されている。回転可能なダクタイル鉄風力タービン軸１８は、ハブ末端２６及び向かい合ったギアボックス末端２８を含む。ハブ末端２６は、ハブ末端２６上に形成されており、ハブ１６への連結及び接続のために設定されている一体化したハブフランジ３０を含む。ギアボックス末端２８は、ギアボックス２４への連結及び接続のために設定されている。ダクタイル鉄風力タービン軸１８は、縦の中心線３４に沿って延在する軸芯３２を一般に含む。ダクタイル鉄風力タービン軸１８は、軸体３８の外側部からハブフランジ３０への移行をスムースにする遷移カラー３６を含んでいてもよい。タービン１０の大きさによっては、そのダクタイル鉄風力タービンの主軸１８は、約２〜約２０トン以上の重量、約１００〜２００ｍｍ以上の壁部厚、約２ｍ〜約４ｍ以上の長さ、約１ｍ〜約２ｍ以上の主フランジの直径、約０．４〜約０．８ｍ以上の軸芯を有することなどを含めて、かなり大きいものとすることができる。主軸１８は、寒空中で運転し、翼１４に対する風の作用による相当量の約４０００〜約１５０００ｋＮｍのトルク及び約７０００〜約１５０００ｋＮｍの曲げモーメントに耐えなければならないため、このダクタイル鉄風力タービン軸１８は、それがこれらのトルク及び曲げモーメントに耐えるのに十分な強度と靭性のバランスを提供することにおいて有利である。
【００１４】
図４における例示的な実施形態では図式的に示されているように、本明細書に記載されている方法１００によって製造されたダクタイル鉄風力タービン軸１８は、オースフェライト母相４２及びそのオースフェライト母相４２中に分散している複数の黒鉛ノジュール４４を含むオーステンパミクロ組織４０を有するものとして説明することができる。オースフェライト母相４２は、安定オーステナイト４６及びアシキュラフェライト４８を含む。オーステンパミクロ組織４０は、軸の非変形部分又は変形量の少ない部分のミクロ組織とは異なる変形ミクロ組織５０を有する変形部分６０を有する。変形ミクロ組織５０は、同様に、変形オースフェライト母相５２及びその中に分散した複数の黒鉛ノジュール５４を含む変形オーステンパミクロ組織５０を有するものとして説明することができる。変形オースフェライト母相５２は、同様に、変形安定オーステナイト５６及び微細なアシキュラフェライト５８を含む。変形部分６０は、ダクタイル鉄風力タービン軸１８のミクロ組織の任意の部分を含めたダクタイル鉄製品８のミクロ組織の任意の部分を含むことができる。変形部分は、１つの例示的な実施形態では、軸体３８のミクロ組織、又は、図４に示す外側部分のような、若しくは、軸体３８の厚さを通した互い違いの軸体の一部を含むことができる。別の実施形態では、この変形部分は、図４に示すように遷移カラーの部分を含むことができ、変形部分６０は、ハブフランジを通して軸芯３２から外側表面まで延在する。さらに別の実施形態では、変形部分６０は、図４に示すようにハブフランジの部分を含むことができ、変形部分６０は、ハブフランジを通して軸芯３２から外側表面まで延在する。変形部分６０のミクロ組織５０と、非変形又は変形度の小さいミクロ組織４０との相違点としては、オースフェライト母相の成分の微細なアシキュラフェライト５８相の板状結晶粒（platelet）の幅（ｗ）、変形黒鉛ノジュール５４の形状、又は風力タービン軸１８等の製品８の他部のそれとは異なる多孔性の少なくとも１つを挙げることができる。変形部分６０中の変形オースフェライト母相５２中に生ずる微細なアシキュラフェライト５８の板状結晶粒の幅（ｗ）は、他部のオースフェライト母相４２中に生ずるアシキュラフェライト４８の板状結晶粒よりも実質的に狭いか又は小さいものであり得、最大一桁分だけより狭いものを含む。変形によって提供されるひずみエネルギーの蓄えは、より狭い板状結晶粒幅を有しており、従って単位体積当りより多くの微細なアシキュラフェライト５８の生成を促進することができる。変形黒鉛ノジュール５４の形は、他の非変形部分のオースフェライト母相４２中に存在する黒鉛ノジュール４８の、実質的に球状の形を含めた結節状の形と比較すると、変形部分６０の中の変形オースフェライト母相５２における変形の方向に分配されて整列している延伸されたノジュール又は破壊片であり得る。変形は、他部におけるミクロ組織４０と比較すると、変形部分６０及び変形ミクロ組織５０において、鋳造ダクタイル鉄ミクロ組織中で起こることが知られている平均の多孔性を含めて、樹枝状晶間多孔性等の多孔性を閉じることもできる。変形１２０は、平均的な細孔の大きさ又は平���的な多孔性の量を含めた多孔性を減らすことができ、或いは、多孔性を実質的になくして使用された特定のダクタイル鉄合金組成に付随する実質的に完全な理論密度を得ることができる。微細なアシキュラフェライト５８相を精製すること、及び変形黒鉛ノジュール５４の形をより小さい程度に変化させて多孔性を低下することは、ダクタイル鉄風力タービン軸１８を始めとするダクタイル鉄製品８の硬度、衝撃強さ、引張強さ及び低サイクル疲労強度を大幅に増す。
【００１５】
ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を用意する段階１１０は、任意の適切なやり方で実施することができる。多種多様のダクタイル鉄合金及びダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を、本願で開示する方法１００によって得ることができる。ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２は、任意の適切なダクタイル鉄合金組成から成形することができる。ダクタイル鉄のプリフォーム１１２は、ダクタイル鉄のための標準的な合金化成分、例えば、炭素、ケイ素及びマンガン並びに場合によって銅、ニッケル及び／又はモリブデンを、残部の鉄及び不可避不純物、例えば、クロム、リン、硫黄などと共に含むことができる。幾つかのこれら成分についての特定の範囲としては、重量で、約３．０％〜約３．９％の炭素、約１．９％〜約２．７％のケイ素、０．３％以下のマンガン、０．８％以下の銅、２％以下のニッケル、０．０５％以下のクロム、０．０２％以下のバナジウム、０．０１％以下の硫黄、及び０．３％以下のモリブデンが、残部の鉄及び不可避不純物と共に挙げられる。当技術分野では公知のように、炭素についての前記濃度は、黒鉛の形成及び可鍛性を配慮して必要である。ケイ素の役割は、一般に、凝固の間に準安定炭化鉄の代わりに黒鉛の形成を促進することである。炭素の中身は、主としてケイ素が存在する結果、凝固の間に球状黒鉛として分離する。球状黒鉛は、ダクタイル鉄合金がそのため知られている高い強度及び靭性のような望ましい特性を与える。モリブデンは、オースフェライトの焼入れ性を増し、オーステンパ済みダクタイル鉄中のパーライトの形成を抑制するために含めることができる。マンガンは、合金中にないことが好ましいけれども通常不可避不純物として存在する硫黄を除去するために含めることができる。主軸１８のような比較的太い部分を有する鋳物に対して、リンは、それがモリブデンの効果を妨げるために、有害と考えられる。それ故、リンの濃度はできるだけ低い水準に、例えば、０．１重量％未満に保つのが好ましい。同様に、軸１８のような大きい断面の鋳物では、オースフェライトの焼入れ性を配慮して、例えば、それらの上記の範囲の上端に向けた比較的高い濃度の銅、ニッケル及びモリブデンが必要であり得る。一般に、好ましい合金添加及びそれらの相対量は、与えられた断面寸法に対して十分な焼入れ性を得るように、合金の偏析の程度及びコストを最小にしながら均衡させることができる。
【００１６】
微細な粒のミクロ組織、高い黒鉛ノジュール総数、並びに粒の境界及び結果としての多孔性に対する合金になる成分の最小限のミクロ偏析を得るために、ダクタイル鉄合金の溶融物は、本明細書で用いられるとき、ダクタイル鉄合金の溶融物を、高い黒鉛ノジュール総数を得る十分な速度で凝固させることが可能なプロセスを指す急速な凝固プロセスを用いて鋳造することができる。一例として、適切な急速凝固プロセスは、平方ミリメートル当り１００を超え、さらに好ましくは、平方ミリメートル当り約１５０〜約３００の高い黒鉛ノジュール総数を獲得する。その場合の冷却速度も、鋳造の間中、微細な粒径を得ること及び鋳物の合金となる成分のセル間領域又は粒界へのミクロ偏析を最小限にすることが可能である。許容できるレベルのミクロ偏析は、平方ミリメートル当り１００を超えるノジュール総数並びにマルテンサイト、パーライト、及びセル間炭化物が基本的に無い、言い換えれば、マルテンサイト、パーライト、及びセル間炭化物含量が母相中に５体積％未満である母相を得ることによって示される。他方で、共晶セルの境界における過剰のミクロ偏析は、オーステンパ処理温度までの冷却速度が不十分である場合に、低いノジュール総数及び高いパーライトの割合によるか、又は等温オーステンパ処理の間の炭素強化オーステナイトの不十分な安定化による該母相中の低いノジュール総数と過剰なマルテンサイト含量（５体積％を超える）及び低いオースフェライト含量（８５体積％未満）とによって示され得る。
【００１７】
ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を用意する段階１１０は、ダクタイル鉄を鋳造するための任意の適切な方法を用いて達成することができる。１つの例示的な実施形態では、この製品は、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を得るために砂型で鋳造するか、又は、永久鋳型中で鋳造することができる。別の実施形態では、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を用意する段階１１０は、遠心鋳造によって達成することができる。遠心鋳造は、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を用意する段階１１０のための急冷凝固鋳造技術の注目すべき例である。技術的に知られているように、ダクタイル鉄風力タービン軸１８の製造に使用することができるようなダクタイル鉄製品プリフォーム１１２の遠心鋳造は、シリンダーの形状の縦軸の周りを回転している型、例えば、型の軸線が軸の中心線３４を含むダクタイル合金風力タービン軸１８のための鋳型など（図４）の内部に合金の溶融物を分配することを一般に必要とする。型は、合金が型によって急速に冷却される結果合金が急速に凝固して微粒子の鋳造を達成する型の内面に向けて溶融した合金が半径方向外側に押し進められることを確保する十分なスピードで回転させることができる。有利には、この急速な凝固プロセスは、黒鉛の増大した核生成及び遅い成長によって高い黒鉛ノジュール総数を促進し、同様に合金になる成分の粒界への偏析の機会を制限する。型についての適切な回転速度は、例えば、型の内径及び鋳造のために望ましい壁部厚によって変動する。
【００１８】
型の回転のため、遠心鋳造技術によってダクタイル鉄製品プリフォーム１１２の鋳物を用意する段階１１０は、ミクロ組織が、半径方向及び／又は軸方向に変化する軸対称の不均一なミクロ組織をもたらすことができる。過去では、遠心鋳造したダクタイル鉄成分は、軸対称の不均一なミクロ組織の幾何学的配置に耐えるか、又は軸対称のミクロ組織を避けることができる、例えば、オーステンパ熱処理を利用する機械的又はミクロ組織特性を一般に必要としない都市水道水の供給、下水道などのための配管など、の幾何学的配置を有する用途に一般に限定された。しかしながら、方法１００は、遠心鋳造された成分の急速な凝固の間に発現し、鋳放しの製品プリフォーム１１２の軸対称又は不均一性と関係する限界を、大型ダクタイル鉄製品８、例えば、ダクタイル鉄風力タービン軸１８など、における望ましい特性を得るために変形する段階１２０及びオーステンパ処理する段階１５０によって克服することができる微細なミクロ組織を利用することができる。注目すべきは、急速な凝固速度を得ることができる他の鋳造技術が、微細なミクロ組織、縮小された度合いのミクロ偏析、及び高い黒鉛ノジュール総数を得るために必要な高い凝固速度を得るために修正された永久鋳型及び砂型鋳造技術を含めて、同様に使用され得ることであり、これは言い換えると、変形する段階１２０及びオーステンパ処理する段階１５０の間の対応、即ち、殆んどがオースフェライトであり、基本的にマルテンサイト及びパーライトの無い母相、さらに好ましくは完全なオースフェライト変態及びマルテンサイト等の脆い相の無いものを提供する。
【００１９】
変形する段階１２０は、変形部分６０の任意量の変形を含むことができる。例示的な実施形態では、真のひずみを含めたひずみは、約５％〜約５０％、特に約１０％〜約２０％の塑性ひずみを含むことができる。変形は、ダクタイル鉄製品８の中に任意の適当な方式で割当てることができ、ある実施形態では、ダクタイル鉄製品８の中で均一であるか又は均一に分配されていることができ、一定の他の実施形態では、製品８の中で不均一に分配されている可能性がある。ダクタイル鉄風力タービン軸１８の例示的な実施形態では、軸体３８は、約５％以下の塑性ひずみを有する変形部分６０を含むことができ、この変形部分は、外側表面から軸芯３２までの厚さを通した内部を含めた内部に任意の量で広がることができる。ダクタイル鉄風力タービン軸１８の別の例示的な実施形態では、遷移カラー３６は、約５％〜約２０％、さらに好ましくは、約１０％〜約２０％の塑性ひずみを有する変形部分６０を含むことができ、この変形部分は、外側表面から軸芯３２までの厚さを通した内部を含めた内部に任意の量で広がることができる。ダクタイル鉄風力タービン軸１８の別の例示的な実施形態では、ハブフランジ３０は、約５％〜約２０％、さらに好ましくは、約１０％〜約２０％の塑性ひずみを有する変形部分６０を含むことができ、この変形部分は、外側表面から軸芯３２までの厚さを通した内部を含めた内部に任意の量で広がることができる。これらの実施形態のすべてにおいて、変形の量は、ダクタイル鉄製品８（例えば、ダクタイル鉄風力タービン軸１８など）の厚さを通して半径方向内側又は外側に、或いは長さに沿って軸方向に変化することを含めた変形部分の中で変化し得る。
【００２０】
変形段階１２０は、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２をオーステナイト化温度（ＴＳγ）より高い熱間加工温度に、プリフォームを変形する前に炭素を含有するオーステナイトの単相母相を有するミクロ組織を生じるのに十分な持続時間加熱することを含む。例示的な実施形態では、この熱間加工温度は、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を約８１５℃〜約９８０℃に加熱すること、及びプリフォーム鋳造をこの熱間加工温度で約１〜約３時間の持続時間の間保持することを含み得る。一実施形態では、変形する段階１２０は、図５に示されているように、変形部分６０を有する熱間加工品１１４を得るために、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を熱間加工段階１２５によって変形する段階１２０を含むことができる。変形する段階１２０は、変形するための任意の適切な方法によって実施することができ、一実施形態では鍛造を含むことができる。オーステナイト化温度での鍛造による熱間加工１２５は、オーステナイト化温度より低い温度で鍛造するのと比較して、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を変形するため及び熱間加工された製品プリフォーム１１４を形成するために要する鍛圧を低下する。これは、重要な利点であり、なぜなら、それが必要な鍛造プレスの能力又は大きさを低下し、そのことは、部品を製造するためのコストを実質的に下げるからであり、より低い温度で鍛造するために必要な鍛造プレスは非常に大きく、容易に商業化が可能ではなく、世界中でわずかな場所に存在するのみであるためである。
【００２１】
代わって、方法１００によれば、変形する段階１２０は、熱間加工段階１２５と、次に、冷却１３０後、本明細書に記載されており、図７に示されているように、ミクロ組織をオーステンパしてミクロ組織をオースフェライトに変形するために必要な所定時間の前に、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２をオースフォーミング温度（ＴＡ）でオースフォーミングする段階１４０とを含むことができる。オースフォーミングする段階１４０は、本明細書に記載されているようにオースフォーミングされた製品プリフォーム１１６を得る。オースフォーミングされた製品プリフォーム１１６は、次に、このオースフォーミングされた製品プリフォーム１１６を変態させるのに十分な時間オーステンパ処理温度（ＴＡ）で保持してオーステンパ製品プリフォーム１１８を成形することができる。
【００２２】
或いは、方法１００によれば変形する段階１２０は、本明細書に記載されており、図７に示されているように、ミクロ組織をオーステンパしてミクロ組織をオースフェライトに変態させるために必要な所定時間の前に、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２を、合金ミクロ組織をオーステナイト化するためにオーステナイト化温度まで加熱し、その後このプリフォームをオースフォーミング温度（ＴＡ）まで冷却する段階１３０が続き、その後ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２をオースフォーミング温度（ＴＡ）でオースフォーミングする段階１４０が続くことも含むことができる。オースフォーミングされた製品プリフォーム１１６は、次に、このオースフォーミングされた製品プリフォーム１１６を変態させるのに十分な時間オーステンパ処理温度（ＴＡ）で保持してオーステンパ製品プリフォーム１１８を成形することができる。
【００２３】
様々な実施形態では、方法１００は、ダクタイル鉄製品プリフォーム１１２をオーステンパ処理温度（ＴＡ）まで冷却する段階１３０を一般に含む。冷却する段階１３０は、空冷又は適切な焼入れ媒体中での焼入れを始めとする任意の適切な方式でオーステンパ処理温度（ＴＡ）まで実施することができる。技術的に知られているように、このオーステンパ処理温度は、鋳造中のマルテンサイトの形成を避けるためにダクタイル鉄合金のマルテンサイト開始温度より上である。オーステンパ処理する段階１５０は、約２３０℃〜約４００℃の温度域で実施することができ、そのオーステンパ処理温度は、約１〜約４時間の持続時間の間保持すればよいが、それより大きい及び小さい温度並びに持続時間も可能である。オーステンパ処理温度で、鋳造は、親オーステナイト（ＦＣＣγ鉄）がアシキュラフェライト（ＢＣＣα鉄）及び高炭素安定化オーステナイトの状態に変態化されるオースフェライト変態を受ける。概して、高いオーステンパ処理温度は疲労強度及び延性を促進し、一方、低いオーステンパ処理温度は強度及び耐磨耗性を促進する。従って、オーステンパ処理温度は、ダクタイル鉄風力タービン軸１８の一定の特性をその特定の要求に応じて促進するように選択することができる。
【００２４】
焼入れ方法及び焼入れ速度の重要性も注目すべきである。オーステナイト化温度からオーステンパ処理温度に鋳物を冷却するために使用される装置は、オーステンパ処理プロセスの動力学を促進し、全体部分の厚さにわたって完全な変態を促進するように最適化することができ、それによって脆弱な相を形成する性向を抑制する。特にこの装置は、鋳物から一般に塩浴である焼入れ媒体へのより効率的な熱伝達を好ましくは促進する。それ故、従来の塩浴に対する修正及び代替を、オースフェライト変態を促進するために採用することができる。同様に、変形する段階１２０もオースフェライト変態を増進し、図８に図式的に示されているようにＴＴＴ曲線をシフトする。より速い反応動力学は、与えられた壁部厚をより急速に変形することを可能にするか、又は、本明細書に記載されているように変形されていない同様のダクタイル鉄製品プリフォームと比較して、与えられた壁部分をより深い深さに変形することを可能にする。かかる修正及び代替は、完全に満たされていない１以上の好ましい特性（微細な粒のミクロ組織、高い黒鉛ノジュール総数、及び最小限のミクロ偏析）をもたらした鋳造プロセスの欠点を償うことも可能であり得る。いずれにしても、この鋳造は、パーライトの形成を回避するのに十分な速さ、例えば、５．５℃／分以上の速さで焼入れされる。最低限の焼入れ速度は、１つには、どれだけ多くのニッケル、モリブデン、銅などが合金中に存在するかに依存する。
【００２５】
オーステンパ浸漬に次いで、この鋳造は、本明細書に記載されているダクタイル鉄風力タービン軸１８等のダクタイル鉄製品８を得るために室温までそのまま冷却することができる。結果として得られる変形され、オーステンパ処理された鋳物は、通し焼入れされ、完全とまではいかなくても、実質的にオースフェライトであり、完全とまではいかなくても、実質的にマルテンサイト及びパーライトを含まない母相で構成されているミクロ組織を有することを特徴とする。結果的に、硬度、衝撃強度、引張強度、疲労強度及び靭性を始めとする鋳物のための望ましい力学的特性は、変形部分６０においてより容易に達成することができ、それは、より高い組織的要求性能が一般に必要である軸体３８、遷移カラー３６又はハブフランジ３０等の高い作用応力を有するダクタイル鉄風力タービン軸１８の部分を含むように選択することができる。
【００２６】
方法１００により製造された、風力タービン軸１８を始めとするダクタイル鉄製品８は、低合金鋼に対抗することができる強度−靭性の組合せを発揮することができ、その一方で、重量減及びコスト削減の可能性と共に、より良好な耐磨耗性並びにより良好な振動及び騒音の減衰のような潜在的な利点を提供する。風力タービン軸１８を始めとする変形され、オーステンパ処理されて通し焼入れしたダクタイル鉄製品８の機械加工性は、調質鋼に匹敵すると思われる。しかしながら、このダクタイル鉄製品８は、焼入れ及び焼戻し操作によって製造されるよく似た大きさとデザインの軸と比較してより小さくてより予測可能な膨張を示すものと思われる。結果的に、変形とオーステンパ処理の間に起こる寸法変化は、正確に予測して必要な最後の機械研削の量を限定することができる。それ故に、機械加工の大部分は、鋳物が未だ比較的柔らかい間の鋳造の直後に実施することができる。
【００２７】
本明細書において、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、標記の数値を含み、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）。さらに、別途規定しない限り、本願で開示する組成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％、特に約１０〜約１５重量％」は、これらの範囲の上下限とこれらの範囲内のすべての中間値（例えば「約５重量％〜約２５重量％、約５重量％〜約１５重量％」など）を含む）。合金組成物の成分の記載に関して用いる「約」は、記載された成分すべてに適用され、範囲の上下限に適用される。本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、別途定義しない限り、本発明の属する技術分野の技術者によって通常理解されている意味をもつ。本明細書を通して、「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に関して記載された特定の構成要素（特徴、構造及び／又は特性など）が、本明細書に記載された少なくとも一実施形態に含まれていることを意味し、他の実施形態には存在していても、存在していなくてもよい。
【００２８】
本明細書に記載された合金組成物に関して用いる「含む」は、その合金組成物が、明示された成分「から基本的になる」（つまり、明示された成分を含んでいて、開示した基本的及び新規な特徴に悪影響を与える他の成分を含んでいない）実施形態、並びに明示された成分「からなる」（つまり、不可避不純物以外は、明示された成分しか含んでいない）実施形態を意味し、包含する。
【００２９】
限られた数の実施形態に関連して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がこれらの実施形態に限定されるものでないことは当業者には自明であろう。本明細書には記載されていないが、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更、代替、置換又は均等な構成を導入することによって本発明を修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載した実施形態の一部しか含んでいなくてもよい。したがって、本発明は、以上の記載によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって限定される。
【符号の説明】
【００３０】
８  ダクタイル鉄製品
１０  風力タービン
１２  回転翼アセンブリ
１４  翼
１６  ハブ
１８  風力タービン軸
２０  ナセル
２２  タワー
２４  ギアボックス
２５  発電機
２６  ハブ末端
２８  ギアボックス末端
３０  ハブフランジ
３２  軸芯
３４  縦の中心線
３６  遷移カラー
３８  軸体
４０  ミクロ組織
４２  オースフェライト母相
４４  黒鉛ノジュール
４６  安定オーステナイト
４８  アシキュラフェライト
５０  変形ミクロ組織
５２  変形オースフェライト母相
５４  変形黒鉛ノジュール
５６  変形安定オーステナイト
５８  変形アシキュラフェライト
６０  変形部分
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
2013104132000001.pdf