JP5319871B2 - ダクタイル鋳鉄合金 - Google Patents
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Description
本発明は、総括的にはダクタイル鋳鉄合金に関する。より具体的には、本発明は、従来型のダクタイル鋳鉄合金の性能を超える温度で作動しなければならないタービン圧縮機ケース部品にとって望ましい特性を示すように、モリブデンで改質したダクタイル鋳鉄合金に関する。
圧縮機吐出ケース及び圧縮機ケース並びに産業用ガスタービンの他の耐熱部品用に、様々な合金が考究されかつ用いられてきた。圧縮機吐出ケースは一般的に、ガスタービンの圧縮機の直ぐ下流に設置されるが、圧縮機ケースは、さらに離れた下流に位置し、圧縮機吐出ケースをタービンセクションの第一段と連結する。圧縮機とタービンセクションとの間で持続する高圧及び高温のために、圧縮機吐出ケース及び圧縮機ケース（便宜上、本明細書では単に圧縮機ケースと呼ぶ）に適する合金は、良好なクリープ、破断、引張及び低サイクル疲労（ＬＣＦ）特性を必要とする。
ダクタイル鋳鉄（ノジュラー鋳鉄）合金は、その強度、強靭性及び機械加工性により、ターボ機械内部及び他の場所における様々な構造用途のために開発さてきた。具体的な実例として、フェライト系ダクタイル合金ＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９が、産業用ガスタービンの圧縮機ケースを含む、高温で用いる耐圧構造部品用の合金として使用されているのが見られる。ＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金は、重量で少なくとも３．０％の炭素、最大約２．５％のシリコン及び最大０．０８％のリンと残部の鉄及び付随不純物との組成を有するものとして仕様を定められている。ＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金は、ＭＳ６００１Ｂ、ＭＳ７００１ＦＡ、ＭＳ７００１ＦＢ及びＭＳ９００１Ｅ型ガスタービンモデルのような、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されたＢ、Ｆ及びＥクラス技術のガスタービン用圧縮機ケースの製造に用いられている最新の材料である。ＡＳＴＭ仕様に基づくと、Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金で鋳造した圧縮機ケースは、最大約６５０°Ｆ（約３４５℃）の作動温度に耐えることができなくてはならない。しかしながら、ガスタービンがその性能及び効率を高めるようにアップグレードされると、それに応じて圧縮機ケースが耐えなければならない温度及び荷重も高くなる。このようなアップグレードの場合、圧力比及び燃焼温度の増大の結果として、付加的温度及び応力性能が必要となる。
例えば約４〜６重量％のようなより多くの量のシリコンを単独で又は最大約２重量％のモリブデンとの組合せで含有するようにダクタイル鋳鉄を合金化することにより、高い作動温度での高強度が得られることが知られている。しかしながら、これらの合金は、周囲温度での延性の低下、鋳造性の低下及び機械加工性の低下を示すことになると報告されている。
米国特許第４，７３７，１９９号公報
本発明は、クリープ、破断、引張及びＬＣＦ特性を含む合金の耐熱特性を大きく高める限られた量のモリブデンを含有するように改質したダクタイル鋳鉄合金を提供する。本合金は、本質的に重量で少なくとも３％の炭素、２．７５％よりも多くないシリコン、０．４％〜０．８％のモリブデン、最大０．３％のマンガン、最大０．１％のクロム、０．０８％よりも多くないリン、０．０１％よりも多くない硫黄並びに残部の鉄及び付随不純物からなる。
本合金は、産業用ガスタービン、特にその圧縮機ケースが４００℃及びそれ以上の作動温度を受けるガスタービンの鋳造圧縮機ケースを形成するのに十分に適している。従って、本合金は、従来型のＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金の耐熱性能に勝る。
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明からさらに良く理解されるであろう。
本発明は、産業用ガスタービンの圧縮機ケースが必要とするタイプの優れた高温特性（耐熱特性）を示すダクタイル鋳鉄合金を提供する。本発明の合金は、重量パーセントに基づいてほぼ以下の割合で以下の元素、すなわち最小３．０％の炭素、最大２．７５％のシリコン、０．４０％〜０．８０％のモリブデン、最大０．３％のマンガン、最大０．１％のクロム、最大０．０８％のリン、最大０．０１％の硫黄並びに残部の鉄及び付随不純物を含有するのが好ましい。
炭素、シリコン及びモリブデンのレベルは、主として合金の所望の耐熱特性を得ることに関与する。シリコンの役割は一般的に、ベース鉄の強度、硬度、焼入性及び耐食性を高めることである。２．７５重量％を超えるシリコンレベルは、室温延性の低下、鋳造性の低下及び機械加工性の低下の観点から、鋳造圧縮機ケースとして用いるのには望ましくない。ＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９仕様は、各々が０．０１％のリンを最大仕様リン含有量以下に減少させた場合に、０．０８％のシリコンを２．５％以上最大２．７５％まで（全てのパーセンテージは重量による）増加させることを可能にする。従って、本発明の合金においては最大２．７５重量％のシリコン含有量が許容されるが、合金のリン含有量が０．０８重量％に近づくと、より制約的なシリコン上限値は合金の２．５重量％になる。従来型のダクタイル鋳鉄合金の場合と同様に、本合金の炭素含有物は、主としてシリコンの存在の結果、冷却時に球状黒鉛として分離する。球状黒鉛は、ダクタイル鋳鉄合金では公知の高強度及び高強靭性のような望ましい特性を与える。本発明で用いる限られた範囲のモリブデンにより、焼入れが促進され、耐食性並びに耐熱強度及び耐クリープ性が向上するものと思われる。
クロムを上述の量で加えて、炭化物の形成を促進することによって合金の強度を高め、耐食性を与え、また高温における合金微細構造を安定化させる。マンガンは、それが合金にはないのが好ましいが通常は不純物として不可避的に存在する硫黄を捕集する働きをする。リンもまた、可能な限り低いレベルの状態にしておく不純物である。
機械的特性を最適化するために、合金は、熱処理を行って炭化物を排除し及び／又はパーライトを安定化させなければならない。合金を鋳造して圧縮機ケースを形成する好ましい実施態様では、ＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金の従来型の実施方法に従って合金を鋳造し、その後鋳造品は、少なくとも約１３４０°Ｆ（約７２５℃）の温度で、その最大鋳造厚さの全て対しては約１時間であるが少なくとも５時間かけて焼きなますのが好ましい。
現在公表されているＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９仕様に従って、下の表Ｉに記載した化学組成を有する様々な試験片を溶融しかつ鋳造したが、このＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金の処理法に関する開示は参考文献として本明細書に組み入れられる。ＴＣは、全炭素である。マグネシウムは、許容される不純物レベルと考えられる量が合金内に存在した。
各鋳造試験片は、約７６０℃の浸透温度での約１６時間の熱処理サイクルを行い、その後室温まで徐冷した。熱処理に続いて、試験片の幾つかには、約５５０°Ｆ（約２９０℃）、約６５０°Ｆ（約３４５℃）、約７５０°Ｆ（約４００℃）、約８５０°Ｆ（約４５４℃）又は約９５０°Ｆ（約５１０℃）でクリープ試験を行った。図１は、７５０°Ｆで試験したこれらの試験片についてプロットした０．１％クリープ曲線であり、合金（「モリブデンダクタイル鋳鉄」）のクリープ特性が、同じ条件下で試験した従来型のＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金（「ノジュラー鋳鉄」）よりも少なくとも２０倍大きかったことを証明している。その他の試験片には低サイクル疲労（ＬＣＦ）試験を行ったが、その結果は、図２にプロットしており、合金（「モリブデンダクタイル鋳鉄」）のＬＣＦ特性が、同じ条件下で試験した時の従来型のＡＳＴＭ Ａ３９５／Ａ３９５Ｍ−９９合金（「ノジュラー鋳鉄」）よりも少なくとも１０倍大きかったことを証明している。本発明の技術的範囲内の化学組成を有する試験片が示したクリープ特性及びＬＣＦ特性の増大に鑑みて、これらの合金は、ＭＳ９００１Ｅ型モデルのようなＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃによって製造されたＥ−クラスガスタービンの作動環境における鋳造圧縮機ケースとして、また圧力比及び燃焼温度が増大した結果として付加的温度及び応力性能を必要とする部品を備えた他のガスタービンとして十分に機能することになると結論付けた。
好ましい実施態様に関して本発明を説明してきたが、当業者が他の形態を採用することができることは明らかである。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されることになる。
Claims (7)
- ガスタービンのタービンセクションと圧縮機セクションとの間に配置され、重量で少なくとも３％の炭素、２．５％よりも多くないシリコン、０．０８％よりも多くないリン、残部の鉄及び付随不純物を含むダクタイル鋳鉄合金から鋳造されていた、前記ガスタービンに取り付けられる際にクリープ及び低サイクル疲労を受ける耐圧構造部品の耐クリープ性及び低サイクル疲労特性を改善する方法であって、
前記ダクタイル鋳鉄合金にモリブデンの追加とシリコン含有率の増加により改質するステップであって、改質されたダクタイル鋳鉄合金が、重量で少なくとも３％の炭素、２．５％以上かつ２．７５％よりも多くないシリコン、０．４％〜０．８％のモリブデン、残部の鉄及び付随不純物からなり、前記付随不純物が、重量で０．１１％よりも多くないマンガン、０．１％よりも多くないクロム、付随不純物量のマグネシウム、０．０８％よりも多くないリン、０．０１％よりも多くない硫黄を含む、ステップと、
前記改質されたダクタイル鋳鉄合金の鋳造品を製造するステップと、
前記鋳造品を、少なくとも７２５℃の温度で少なくとも５時間かけて焼きなます熱処理を行って、炭化物の排除及びパーライトの安定化のうちの少なくともいずれかを行うステップと
を含む、方法。 - 前記改質されたダクタイル鋳鉄合金が、重量で３．６％の炭素、２．６％のシリコン、０．４％のモリブデン、０．１％のマンガンを含む請求項１に記載の方法。
- 前記耐圧構造部品が、少なくとも４００℃の最高作動温度を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記耐圧構造部品を、産業用ガスタービンに取付けるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
- 前記耐圧構造部品が、前記ガスタービンの前記圧縮機セクションの直ぐ下流に配置された圧縮機吐出ケースである、請求項４に記載の方法。
- 前記耐圧構造部品が、前記ガスタービンの前記圧縮機吐出ケースの下流に配置されている、請求項４に記載の方法。
- ガスタービンのタービンセクションと圧縮機セクションとの間に配置され、重量で少なくとも３％の炭素、２．５％よりも多くないシリコン、０．０８％よりも多くないリン、残部の鉄及び付随不純物を含むダクタイル鋳鉄合金から鋳造されていた、前記ガスタービンに取り付けられる際にクリープ及び低サイクル疲労を受ける耐圧構造部品の耐クリープ性及び低サイクル疲労特性を改善する方法であって、
前記ダクタイル鋳鉄合金にモリブデンの追加とシリコン含有率の増加により改質するステップであって、改質されたダクタイル鋳鉄合金が、重量で少なくとも３％の炭素、２．５％以上かつ２．７５％よりも多くないシリコン、０．４％〜０．８％のモリブデン、残部の鉄及び付随不純物からなり、前記付随不純物が、重量で０．３％よりも多くないマンガン、０．１％よりも多くないクロム、付随不純物量のマグネシウム、０．０８％よりも多くないリン、０．０１％よりも多くない硫黄を含む、ステップと、
前記改質されたダクタイル鋳鉄合金の鋳造品を製造するステップと、
前記鋳造品を、少なくとも７２５℃の温度で少なくとも５時間かけて焼きなます熱処理を行って、鋳造過程で炭化物の排除及びパーライトの安定化のうちの少なくともいずれかを行って、熱処理済み耐圧構造部品を生成するステップと、
前記熱処理済み耐圧構造部品を、産業用ガスタービンに取付けるステップと
を含む、方法。
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