專(zhuān)利名稱(chēng)：含鈷球墨鑄鐵的制作方法
含鈷球墨鑄鐵本發(fā)明涉及權(quán)利要求1所述的含鈷鑄鐵以及權(quán)利要求31所述的構(gòu)件。已知并且正在使用的鑄鐵合金(稱(chēng)作GJS球墨鑄鐵合金)主要使用硅和鉬來(lái)提高蠕變強(qiáng)度、抗鱗爆性能和蠕變斷裂強(qiáng)度。但是隨著時(shí)間的推移，這些元素均會(huì)導(dǎo)致韌度明顯下降。除此之外，鉬還有很大的偏析傾向。因此本發(fā)明的任務(wù)在于闡述能夠克服上述缺點(diǎn)、并且在使用持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有更好機(jī)械特性的合金和構(gòu)件。采用權(quán)利要求1所述的合金以及權(quán)利要求31所述的構(gòu)件，即可解決這一任務(wù)。從屬權(quán)利要求所述均為其它可以任意以有利方式相互組合的有益措施按照本發(fā)明所述，鈷可以部分替代鉬，這樣就能克服迄今為止的GJS合金的應(yīng)用極限。本發(fā)明所述的合金在溫度范圍為450°C 550°C的應(yīng)用范圍內(nèi)具有很高的伸長(zhǎng)率，并且具有以下組成):
硅 2.0% 4.5% 鈷 0.5% 5% 碳 2.0% 4.5% 鉬 0.3% 1.48%
余量的鐵。硅、鈷和鉬的含量適宜彡7. 5wt%，尤其彡6. Owt %。合金中的鈷含量?jī)?yōu)選在 0. 5% 1. 5wt%之間。如果鈷含量為0. 5wt %U.0wt%, 1. 5wt %以及2. Owt %，合金就會(huì)達(dá)到有益的機(jī)
械參數(shù)值。加入合金元素鉬(優(yōu)選0. 5% 0. 8% )有利于提高熱穩(wěn)定性(提高后的溫度范圍內(nèi)的RpO. 2和Rm)和蠕變斷裂強(qiáng)度(蠕變強(qiáng)度)。鎂可以提高可鑄性，且鎂的含量?jī)?yōu)選至少為0. 02wt%、最多為0. 07wt%。視應(yīng)用而定，鉻的含量?jī)?yōu)選至少為0. 01襯％但最多為0. 05wt%，鉻可以提高氧化安定性。合金可以具有其它元素。但合金優(yōu)選由鐵、硅、鈷和碳組成。如果合金由鐵、硅、鈷、碳和錳組成，也能實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。采用鐵、硅、鈷、碳以及任選地雜質(zhì)元素鉬、錳和/或者鎳組成的合金還可獲得其它優(yōu)點(diǎn)。任選地在合金中還可存在以下微量雜質(zhì)元素磷0.005wt%硫0. 001wt%鎂0. 01wt%,這些雜質(zhì)元素有利于提高可鑄性，并且/或者有利于形成球墨，但是也不能太多， 否則將會(huì)以負(fù)面影響為主。
此外在合金中優(yōu)選沒(méi)有鉻(Cr)。以下將根據(jù)附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明的實(shí)施例。相關(guān)附圖如下附

圖1鑄件顯微照片附圖2蒸汽輪機(jī)，附圖3燃?xì)廨啓C(jī)。附圖1所示的球墨合金具有近乎完美的鐵素體組織。表格所示為具有改善的機(jī)械特性的合金示例。
鈷00. 560. 991. 44碳3. 633. 673. 653. 67硅2. 452. 422. 492. 41錳0. 0670. 0360. 030. 029磷0. 0070. 0060. 0070. 007硫0. 0090. 0060. 0080. 008鎂0. 0440. 040. 050. 049鉬0. 870. 50. 30. 3微量的鈷和鉬就能改善機(jī)械特性值。附圖2所示為蒸汽輪機(jī)300、303，其具有沿著旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)306延伸的渦輪機(jī)軸309。該蒸汽輪機(jī)具有一個(gè)高壓渦輪段300和一個(gè)中壓渦輪段303，這兩個(gè)渦輪段各自具有一個(gè)內(nèi)殼312以及一個(gè)將內(nèi)殼包圍的外殼315。例如可以將高壓渦輪段300設(shè)計(jì)成筒形。中壓渦輪段303例如可以設(shè)計(jì)成雙流型式。同樣也可以將中壓渦輪段303設(shè)計(jì)成單流型式。沿著旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)306將軸承318布置在高壓渦輪段300與中壓渦輪段303之間，渦輪機(jī)軸309在軸承318中具有軸承區(qū)321。渦輪機(jī)軸309支承于高壓渦輪段300旁邊的另一個(gè)軸承324上。高壓渦輪段300在該軸承324區(qū)域內(nèi)具有軸密封345。通過(guò)兩個(gè)另外的軸密封345將渦輪機(jī)軸309相對(duì)于中壓渦輪段303的外殼315密封。在高壓蒸汽流入?yún)^(qū)348 和蒸汽流出區(qū)351之間，渦輪軸309在高壓渦輪段300中具有高壓轉(zhuǎn)動(dòng)葉片357。該高壓轉(zhuǎn)動(dòng)葉片357與圖中沒(méi)有詳細(xì)繪出的相應(yīng)葉片構(gòu)成第一葉片區(qū)360。中壓渦輪段303具有中央蒸汽流入?yún)^(qū)333。與蒸汽流入?yún)^(qū)333相對(duì)應(yīng)，渦輪機(jī)軸 309具有徑向?qū)ΨQ(chēng)的軸屏蔽板363，這是一塊蓋板，一方面用來(lái)將蒸汽流分配到中壓渦輪段 303的兩個(gè)流道之中，以及用來(lái)阻止高溫蒸汽直接接觸渦輪機(jī)軸309。渦輪機(jī)軸309在中壓渦輪段303中具有帶中壓轉(zhuǎn)動(dòng)葉片354的第二葉片區(qū)366。流過(guò)第二葉片區(qū)366的高溫蒸汽從中壓渦輪段303經(jīng)流出管369流向圖中沒(méi)有繪出的下游低壓渦輪段。
渦輪機(jī)軸309例如由兩個(gè)在軸承318區(qū)域中相互固定連接的渦輪段軸309a和 309b組成。每一個(gè)渦輪段軸309a、309b均具有一個(gè)沿著旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)306形成中央孔372a的冷卻管372。冷卻管372通過(guò)具有徑向孔375a的進(jìn)汽管375與蒸汽流出區(qū)351相連。在中壓渦輪段303中將冷卻劑管372與圖中沒(méi)有詳細(xì)繪出位于軸屏蔽板下方的空腔相連。將進(jìn)汽管375設(shè)計(jì)成徑向孔375a型式，這樣就能使得“冷”蒸汽從高壓渦輪段300流入中央孔 372a之中。蒸汽通過(guò)尤其也可設(shè)計(jì)成徑向孔375a型式的流出管372經(jīng)由軸承區(qū)321進(jìn)入中壓渦輪段303，并且在這里抵達(dá)蒸汽流入?yún)^(qū)333中的渦輪機(jī)軸309外表面330。流過(guò)冷卻管的蒸汽的溫度明顯低于流入蒸汽流入?yún)^(qū)333之中的過(guò)熱蒸汽，從而保證有效冷卻中壓渦輪段303的第一轉(zhuǎn)動(dòng)葉柵342以及該轉(zhuǎn)動(dòng)葉柵342區(qū)域內(nèi)的外表面330。附圖3例示了燃?xì)廨啓C(jī)100的縱剖面示意圖。燃?xì)廨啓C(jī)100在其內(nèi)部具有一個(gè)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)102旋轉(zhuǎn)固定的具有軸101的轉(zhuǎn)子 103 (也稱(chēng)作渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子)。沿著轉(zhuǎn)子103依次排列有進(jìn)氣殼104、壓氣機(jī)105、具有多個(gè)同軸排列的燃燒器107 的例如為環(huán)狀的燃燒室110 (尤其是環(huán)形燃燒室)、渦輪機(jī)108和排氣殼109。環(huán)形燃燒室110與例如為環(huán)形的高溫燃?xì)馔ǖ?11連通。在這里(例如)由四個(gè)串連的渦輪機(jī)級(jí)112構(gòu)成渦輪機(jī)108。每一個(gè)渦輪機(jī)級(jí)112均由(例如)兩個(gè)葉片環(huán)構(gòu)成。朝向工作介質(zhì)113的流動(dòng)方向觀察，隨后在導(dǎo)葉柵115的高溫燃?xì)馔ǖ?11中有由轉(zhuǎn)動(dòng)葉片120所構(gòu)成的葉柵125。導(dǎo)葉130固定于定子143的內(nèi)殼138上，而葉柵125的轉(zhuǎn)動(dòng)葉片120則例如利用渦輪盤(pán)133固定于轉(zhuǎn)子103上。發(fā)電機(jī)或工作機(jī)械(未示出)聯(lián)接在轉(zhuǎn)子103上。在燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，壓氣機(jī)105通過(guò)進(jìn)氣殼104吸入空氣135進(jìn)行壓縮。 將在渦輪機(jī)一側(cè)的壓氣機(jī)105末端上提供的壓縮空氣輸送給燃燒器107，并在其中將其與燃燒劑混合?；旌衔镄纬晒ぷ鹘橘|(zhì)113后在燃燒室110中進(jìn)行燃燒。工作介質(zhì)113從這里沿著高溫燃?xì)馔ǖ?11流過(guò)導(dǎo)葉130和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片120。工作介質(zhì)113在轉(zhuǎn)動(dòng)葉片120上釋放，傳遞沖量，使得轉(zhuǎn)動(dòng)葉片120驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子103，轉(zhuǎn)子103再驅(qū)動(dòng)聯(lián)接在其上的工作機(jī)械。暴露于高溫工作介質(zhì)113的部件在燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中要承受熱負(fù)荷。除了圍護(hù)環(huán)形燃燒室110的熱屏元件，自工作介質(zhì)113的流向上看的第一渦輪機(jī)級(jí)112的導(dǎo)葉 130和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片120將承受最大熱負(fù)荷。為了耐受這里的溫度，可以利用冷卻劑對(duì)其進(jìn)行冷卻。部件的基材同樣也可以具有定向結(jié)構(gòu)，即為單晶(SX結(jié)構(gòu))，或者僅具有縱向定向的晶粒(DS結(jié)構(gòu))。例如，可以使用鐵基、鎳基或鈷基高溫合金作為部件的材料，尤其是作為渦輪葉片120、130以及燃燒室110的部件的材料。例如EP 1 204 776 Bi、EP 1 306 454、EP 1 319 729 Al、WO 99/67435 或者 WO 00/44949就公開(kāi)了這樣的高溫合金。葉片120、130同樣也可具有防腐涂層(MCrAlX ；M為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)組中的至少一種元素，X為活性元素，并表示釔(Y)和/或硅、鈧(Sc)和/或至少一種稀土元素或者鉿(Hf)。EP 0 486 489 Bi、EP 0 786 017 Bi、EPO 412 397 Bl 或 EP 1 306 454 Al 已公開(kāi)了此類(lèi)合金。
在MCrAlX上還可以有隔熱層，其例如由&02、Y2O3-ZrO2構(gòu)成，即通過(guò)摻入氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化錳，可使其不穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或完全穩(wěn)定。通過(guò)適當(dāng)?shù)耐扛卜椒ǎ?例如電子束蒸發(fā)法(EB-PVD)，在隔熱層中形成柱狀晶粒。導(dǎo)葉130具有朝向渦輪機(jī)108內(nèi)殼138的導(dǎo)葉根部(未示出)以及與導(dǎo)葉根部相對(duì)的導(dǎo)葉頂部。導(dǎo)葉頂部朝向轉(zhuǎn)子103，并且固定于定子143的固定環(huán)140上。
權(quán)利要求
1.具有以下元素的合金硅 2.0% 4.5%，尤其為2. 4% 3.6% 鈷 0. 5% 5. 0%，尤其為1. 0% 2. 5% 碳 2.0% 4.5%，尤其為2. 5% 4.0%，鉬 0.3% 1.48%，尤其為0.4% 0.95%，更尤其0.5% 0.8%， 任選地錳彡0. 5%，尤其彡0.1%, 鎳彡0. 5%，尤其彡0. 3%, 鎂< 0. 09%，尤其< 0. 07%, 磷< 0. 07%，尤其< 0. 04%, 硫彡0. 04%，尤其彡0. 01%, 鉻彡0. 1%，尤其彡0. 05%, 余量的鐵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其中硅、鈷和鉬的含量小于7.5wt%，尤其彡6. Owt%, 更尤其至少為2. 8wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金，含有0.5% 1. 5wt%鈷，尤其含有1. Owt%鈷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金，含有0.5% 1. Owt%鈷，尤其含有0. 5wt%鈷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金，含有1.0% 2. Owt%鈷，尤其含有1. 5wt%鈷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金，含有1.0% 1. 5wt%鈷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的合金，含有1.5% 2. 鈷。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有至少0.005wt%錳，尤其含有至少0. Olwt%錳。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其錳含量<0.07wt%，尤其彡 0. 035wt%。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其不含錳。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有至少0.01wt%鎳，尤其含有至少0. 05 丨％鎳。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求1 10中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其不含鎳。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有2.8wt% 3. 2wt%硅，尤其含有3. 0wt%·。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求1 12中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有2.47wt%硅。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有3.0wt% 3. 5wt%碳，尤其含有3. 25wt%碳。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有最多0.007wt%磷。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有至少0.005襯％磷(P)，尤其含有至少0. Olwt%磷。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有最多0.OOSwt %、尤其最多 0. 006wt%il (S)。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有至少0.OOlwt %硫(S)，尤其含有至少0. 003wt%硫。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有最多0.05wt%鎂。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有至少0.01襯％鎂(Mg)，尤其含有至少0. 02wt%鎂。
22.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其不含鉻(Cr)。
23.根據(jù)上述權(quán)利要求1 21中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有最多0.03wt%鉻。
24.根據(jù)上述權(quán)利要求1 21中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其含有最少0.01襯％鉻， 尤其0. 05wt%鉻。
25.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其由鐵、硅、鈷、鉬和碳組成。
26.根據(jù)上述權(quán)利要求1 24中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其由鐵、硅、鈷、碳、鉬以及任選地錳和/或鎂和/或磷和/或硫和/或鎳和/或鉻組成。
27.根據(jù)上述權(quán)利要求1 24中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其由鐵、硅、鈷、碳、鉬以及至少兩種選自錳、磷、硫、鎂、鎳、鉻的元素組成。
28.根據(jù)上述權(quán)利要求1 24中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其由鐵、硅、鈷、碳、鉬以及至少三種選自錳、磷、硫、鎂、鎳、鉻的元素組成。
29.根據(jù)上述權(quán)利要求1 24中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其由鐵、硅、鈷、鉬、碳、鎂以及至少一種、尤其兩種選自磷、硫、錳、鎳、鉻的元素組成。
30.根據(jù)上述權(quán)利要求1 24中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金，其由鐵、硅、鈷、鉬、碳、鎂以及至少三種、尤其四種選自磷、硫、錳、鎳、鉻的元素組成。
31.由權(quán)利要求1 30中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的合金制成的構(gòu)件。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的構(gòu)件，其為殼體零件。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的構(gòu)件，其為蒸汽輪機(jī)(300，303)或者燃?xì)廨啓C(jī)(100) 的構(gòu)件。
34.根據(jù)權(quán)利要求31、32或33所述的構(gòu)件，其具有基于鐵或者基于鋼的基材。
全文摘要
已知的鑄鐵合金均有應(yīng)用溫度極限。使用鈷優(yōu)化調(diào)整鐵素體組織，使得合金中含有2.0～4.5wt％硅、0.5～5wt％鈷、2.0～4wt％碳、0.3～1.48wt％鉬、≤0.5wt％錳、≤0.5wt％鎳、余量的鐵，其中硅、鈷和鉬的含量?jī)?yōu)選小于7.5wt％，就能將應(yīng)用極限移動(dòng)到較高的溫度。
文檔編號(hào)C22C37/04GK102177267SQ200980140249
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者S·延森, S·勝 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司